Лазер генерирует электромагнитные волны в диапазоне: ЛАЗЕР • Большая российская энциклопедия

Принцип образования и работы лазерного луча в стоматологии: Стоматология Столица

26.07.2021 04:46

Принцип образования лазера. Основным физическим процессом, который определяет действие лазера является вынужденное испускание излучения. Это испускание образуется при тесном взаимодействии фотона с возбужденным атомом в момент точного совпадения энергии фотона с энергией возбужденного атома (молекулы). В конечном итоге этого тесного взаимодействия атом (молекула) переходит из возбужденного состояния в невозбужденное, а излишек энергии излучается в виде нового фотона с абсолютно такой же энергией, поляризацией и направлением распространения, как и у первичного фотона. Простейший принцип работы заключается в колебании луча света между оптическими зеркалами и линзами, набирающим силу с каждым циклом. Когда достигается достаточная мощность, луч испускается. Этот выброс энергии вызывает тщательно контролируемую реакцию.

Основным физическим процессом, который определяет действие лазерных аппаратов, является вынужденное испускание излучения.

Это испускание образуется при тесном взаимодействии фотона с возбужденным атомом в момент точного совпадения энергии фотона с энергией возбужденного атома (молекулы). В конечном итоге этого тесного взаимодействия, атом (молекула) переходит из возбужденного состояния в невозбужденное, а излишек энергии излучается в виде нового фотона с абсолютно такой же энергией, поляризацией и направлением распространения, как и у первичного фотона.

Простейший принцип работы стоматологического лазера заключается в колебании луча света между оптическими зеркалами и линзами, набирающим силу с каждым циклом. Когда достигается достаточная мощность, луч испускается. Этот выброс энергии вызывает тщательно контролируемую реакцию.

*Flash tube = энергия накачки

Mirrored Surface = непрозрачное зеркало

Partially Mirrored Surface = частично прозрачное зеркало

Atoms = атомы

Атомы испускают фотоны, некоторые из этих фотонов двигаются в направлении, параллельном оси трубки, и они “отскакивают” назад от непрозрачного зеркала, а часть выводится в виде лазерного пучка.

Лазеры в стоматологии

Активному посреднику (газ, жидкость или твердое вещество) передается возбуждение от источника энергии, результат – монохромная (одного цвета), коллимированная (передающаяся в одном направлении), когерентная (все световые волны синхронны) лазерная энергия.

ЛАЗЕРНАЯ ЭНЕРГИЯ

МОНОХРОМНАЯ – ПРАКТИЧЕСКИ ОДНОГО ЦВЕТА

КОЛЛИМИРОВАННАЯ – ПЕРЕДАЕТСЯ В ОДНОМ НАПРАВЛЕНИИ

КОГЕРЕНТНАЯ – ВСЕ СВЕТОВЫЕ ВОЛНЫ СИНХРОННЫ

Активный посредник определяет такие характеристики лазера, как цвет и длина волны. Существует четыре типа лазеров:
Твердотельные лазеры используют лазерное вещество, распределенное в твердой матрице. Одним из примеров является Неодим – YAG лазер. Термин YAG является сокращением для кристалла: алюмоиттриевый гранат, который служит как носитель для ионов неодима. Этот лазер излучает инфракрасный луч с длиной волны 1,064 микрометра. Вспомогательные устройства, которые могут быть как внутренними, так и внешними по отношению к резонатору, могут использоваться для преобразования выходного луча в видимый или ультрафиолетовый диапазон.

В газовых лазерах используется газ или смесь газов в трубке. В большинстве газовых лазеров используется смесь гелия и неона (HeNe), с первичным выходным сигналом в 632,8 нм (нм = 10-9 метра) видимого красного цвета. Впервые такой лазер был разработан в 1961 году и стал предвестником целого семейства газовых лазеров. Все газовые лазеры довольно похожи по конструкции и свойствам. Например, CO2 газовый лазер излучает длину волны 10,6 микрометров в дальней инфракрасной области спектра. Аргоновый и криптоновый газовые лазеры работают с кратной частотой, излучая преимущественно в видимой части спектра. Основные длины волн излучения аргонового лазера – это 488 и 514 нм.

В лазерах на красителе используется лазерная среда, которая обычно является сложным органическим красителем в жидком растворе или суспензии. Наиболее значительная особенность этих лазеров – это их “приспособляемость”. Правильный выбор красителя и его концентрации позволяет генерировать лазерный свет в широком диапазоне длин волн в видимом спектре или около него. В лазерах на красителе обычно применяется система оптического возбуждения, хотя в некоторых типах таких лазеров используется возбуждение при помощи химических реакций. Наиболее часто используемый лазер на красителе – это Родами 6G, который обеспечивает настраиваемость в диапазоне частот шириной 200 нм в красной части спектра (620 нм).
Полупроводниковые лазеры (иногда называемые диодными лазерами) нельзя путать с твердотельными лазерами. Полупроводниковые лазеры состоят из двух слоев полупроводникового материала, сложенных вместе. Эти лазеры обычно очень маленького размера и очень умеренной мощности. Однако они могут объединяться в большие системы. Наиболее распространенным диодным лазером является диодный лазер на арсениде галлия с основным излучением на 840 нм.

Взаимодействие лазера с тканью

Воздействие лазерного излучения на биологические структуры зависит от длины волны излучаемой лазером энергии, плотности энергии луча и временных характеристик энергии луча. Процессы, которые могут при этом происходить – поглощение, передача, отражение и рассеивание.

Поглощение – атомы и молекулы, которые составляют ткань, преобразовывают лазерную световую энергию в высокую температуру, химическую, акустическую или нелазерную световую энергию. На поглощение влияют длина волны, содержание воды, пигментация и тип ткани.

Передача – лазерная энергия проходит через ткань неизмененной.

Отражение – отраженный лазерный свет не влияет на ткань.

Рассеивание – индивидуальные молекулы и атомы принимают лазерный луч и отклоняют силу луча в направлении, отличном от исходного. В конечном счете, лазерный свет поглощается в большом объеме с менее интенсивным тепловым эффектом. На рассеивание влияет длина волны.

– Познакомьтесь как применяется лазер в нашей стоматологии

– Познакомьтесь как происходит лечение пародонтита при помощи лазера

– Познакомьтесь как происходит отбеливание зубов при помощи лазера

Основные типы взаимодействия лазера с тканью

ФОТОТЕРМИЧЕСКОЕ

Под микроскопом фототермические процессы могут быть представлены как поглощение фотона органической молекулой, которая при этом переходит в состояние вибрационного вращения, с последовательным раздражением, полученным от анелестического удара о соседнюю молекулу, к которой, таким образом, перейдет ее кинетическая энергия. Этот процесс безизлучательных потерь происходит в пределах самого короткого промежутка (1 – 100 в сек.), а последующее быстрое нагревание повысит окружающую температуру. Макроскопические, биологические эффекты фототермического типа могут быть классифицированы согласно некоторым отличиям термодинамических процессов, главным гистологическим изменениям, отображенным в таблице ниже:

ФОТОХИМИЧЕСКОЕ

– Запуск химических реакций – фотополимеризация (например, активация системы лазерного отбеливания)

– Разрушение химических связей в молекулах, вызванное лазерным излучением

Фотодинамическая терапия: создание биохимических реактивных форм кислорода

БИОСТИМУЛЯЦИЯ

Обеспечивает избавление от боли

– Стимулирует заживление ран

– Видоизменяет биологический процесс

– Поглощение лазерной энергии биологическими тканями

Пример: поглощение лазерной энергии различных типов лазеров в коже

После возбуждения, источник лазера излучает электромагнитное излучение с очень высокой направленностью и большой спектральной чистотой, с возможностью концентрации очень высокой энергии на ограниченных поверхностях. Чтобы добиться желательного клинического эффекта, излучение лазера должно поглощаться целевой тканью. Взаимодействие ткани с лазером зависит от характеристик используемого лазера, длины его волны, его эффективной мощности, форм облучения, таких как интенсивность излучения и продолжительность обработки, и от характеристик целевой ткани, количества содержания в ткани воды, гемоглобина и пигментов. Использование лазера в медицине, в частности в стоматологии, базируется на точном поглощении лазерной радиации водой, содержавшейся в тканях, гемоглобином, содержавшимся в крови и пигментами, которые находятся в некоторых тканях. Вода поглощает инфракрасное излучение, с максимальным поглощением около 3000 нм; гемоглобин представляет спектр поглощения от ультрафиолетового до видимого (немного меньше чем 640 нм), пигменты и хромофоры представляют спектр поглощения, расширенный от ультрафиолетового до близкого к инфракрасному.

*Absorption – поглощение

Wavelength – длина волны (нм)

Когда лазерный луч направлен на ткани, то вода, что составляет высокий процент ткани, поглощает энергию, преобразовывая ее в высокую температуру. С интенсивностью в несколько Вт на квадратный миллиметр, вода, находящаяся в ткани, мгновенно закипает и испаряется. Если перемещать наконечник по ткани, то луч ведет себя как скальпель, формируя разрез, глубина которого зависит от интенсивности луча и скорости движения.

Система подачи лазерного луча

Лазерная энергия от источника может подаваться к ткани с помощью различных систем доставки. В медицинских стоматологических лазерах применяются оптоволоконная и шарнирная системы подачи лазерного луча. В стоматологических лазерах DOCTOR SMILE™ для передачи используется оптоволоконная система подачи, имеющая ряд преимуществ перед шарнирной:

– гибкость, возможность применения в труднодоступных участках, эргономичность

– полное сохранение качества лазерного излучения

– не требуется сложного технического обслуживания (например, выравнивания зеркал при ударе у лазеров с шарнирной системой подачи излучения)

Классификация лазеров и безопасность

Существуют четыре класса лазеров. Вся продукция компании Lambda Scientifica относится к четвертому классу лазеров.

Лазеры класса 1. Не представляют опасности при непрерывном наблюдении или разработаны так, чтобы предотвратить попадание биоткани под лазерное излучение (например, лазерные принтеры)

Видимые лазеры класса 2. (от 400 до 700 нм). Лазеры, излучающие видимый свет, который из-за естественной человеческой отрицательной реакции обычно не представляют опасности, но могут представлять, если смотреть прямо на лазерное излучение в течение продолжительного времени

Лазеры класс 3a. Лазеры, которые обычно не причиняют вред при кратковременном попадании в глаза, но могут представлять опасность при наблюдении с использованием собирающей оптики (волоконно-оптическая лупа или телескоп)

Лазеры класс 3b. Лазеры, которые представляют опасность для глаз и кожи при прямом попадании лазерного излучения. Лазеры класса 3b не генерируют опасное диффузное отражение, за исключением попадания с близкого расстояния

Лазеры класса 4. Лазеры, которые представляют опасность для глаз в результате прямого, зеркального и диффузионного отражений. Кроме того, такие лазеры могут быть пожароопасными и вызывать ожоги на коже

Необходимые меры безопасности:

– Персонал, уполномоченный работать должен носить предоставленные защитные очки

– Запрещается направлять лазер в глаза

– Запрещается смотреть непосредственно в отверстие, где находится оптический световод

– Отверстие световода оптического диодного соединителя должно всегда оставаться закрытым, световод должен быть или вставлен или на нем должен быть защитный колпачок

– Удалите с места работы все отражающие и металлические объекты, включая личные вещи, например часы и кольца, поскольку они могут отразить лазерное излучение

– Запрещается направлять лазер на одежду

– Рекомендуется использовать только абсолютно сухую одежду соответственного цвета

– Удалить все потенциально огнеопасные материалы

– Никогда не используйте огнеопасный газ во время лазерного излучения

Ифракрасный лазер

При взаимодействии лазерного излучения с покровами тела человека часть оптической энергии отражается и рассеивается в пространстве. А другая часть поглощается биологическими тканями.

Глубина проникновения лазерного излучения в биоткани человека зависит от длины волны. Экспериментально установлено, что проникающая способность излучения от ультрафиолетового до оранжевого спектрального диапазона постепенно увеличивается от 1-20 мкм до 2,5 мм, с резким увеличением глубины проникновения в красном диапазоне (до 20-30 мм), с пиком проникающей способности в ближнем инфракрасном диапазоне (при длине волны 940-950 нм глубина проникновения до 70 мм) и резким снижением до долей миллиметра в дальнейшем инфракрасном диапазоне. Максимум пропускания кожей электромагнитного излучения находится в диапазоне от 800 до 1200 нм, поэтому большинство терапевтических лазерных аппаратов генерируют длины волн именно в этом диапазоне.

Например, в косметологическом аппарате RevitaShape используется низкоинтенсивный инфракрасный лазер с длинной волны 940 нм (глубина проникновения в ткани — до 70 мм).

НИЛИ (низкоинтенсивное лазерное излучение) инфракрасного диапазона преимущественно поглощается молекулами белка, воды, кислорода и углекислоты. Происходит стимуляция биохимической активности тканей, подверженных лазерному облучению.

Под влиянием НИЛИ увеличивается содержание кислорода в тканях и его утилизация клетками. Происходит выраженное усиление местного кровообращения, скорости кровотока, увеличение числа функционирующих капилляров. В результате повышается до необходимого уровня снабжение тканей кислородом и удовлетворяется избыточный «метаболический запрос», стимулированный НИЛИ. Увеличение количества кислорода в тканях способствует усилению энергетических и пластических процессов в клетках.

Деление клеток (пролиферация) — процесс, который происходит в организме постоянно. НИЛИ не только усиливает деление клеток, что позволяет убрать из организма «старые» клетки и заменить их молодыми, но, самое главное, восстанавливает биоритмику деления различных групп клеток в тканях и их взаимодействия.

При воздействии НИЛИ на поверхностные биоткани человека (кожа, подкожная жировая клетчатка, жировые скопления и мышцы) происходят следующие положительные изменения:

• Ликвидация сопутствующих или параллельно протекающих воспалительных процессов
• Усиление местного и общего иммунитета, антибактериальное действие
• Замедление старения тканей
• Улучшение эластичности и снижение плотности эпидермиса и дермы
• Реконструкция дермы за счет упорядочения структуры эластичных и коллагеновых волокон
• Нормализация массы жировой ткани с одновременной нормализацией в ней обменных процессов
• Фиксация скоплений жировой ткани на своем естественном месте, увеличение мышечной массы с улучшением метаболических процессов и, как результат, вышеперечисленных изменений — снижение степени провисания тканей.

ИК-лазер также используется в процедурах лазерной биоревитализации. Например, с помощью аппарата Revita Light (Medilab, Германия) проводится безинъекционное введение гиалуроновой кислоты.

Специально разработанный препарат «Pure Hyaluron» 2,5% содержит особым образом структурированную низкомолекулярную гиалуроновую кислоту, которая легко проникает в глубокие слои дермы. Под воздействием энергии лазера Revita Light молекулы гиалуроновой кислоты в коже стабилизируются и полимеризуются, оказывая свое благотворное действие.

Revita Light имеет 3 длины волны, эффективность и безопасность которых экспериментально доказана. Это позволяет оказывать наиболее эффективное воздействие на все типы кожи.

2 рабочих режима лазера: импульсный (альфа модуляции частотой 10 Гц — для пре-обработки сухой кожи перед процедурой либо использования лазерной терапии в качестве самостоятельной процедуры с выраженным противовоспалительным эффектом (нанесение низкомолекулярной гиалуроновой кислоты потенцирует противовоспалительное действие лазерной системы), и режим постоянного света, используемый для полимеризации низкомолекулярной гиалуроновой кислоты, легко мигрирующей в дерму вплоть до глубоких слоев. Площадь поверхности зоны воздействия 3 типов светодиодов составляет 12,5 см.

Преимущества данной разработки:

• 3 длины волны позволяют эффективно воздействовать на все типы кожи
• Специальная линза позволяет фокусировать луч на нужную глубину
• Длительность процедуры: всего 20 минут!
• Исключительные результаты после первой процедуры (лифтинговый эффект, улучшение качества кожи — разглаживание неровностей кожи, противовоспалительный эффект)
• Длительный эффект (результат от одной процедуры сохраняется от 3-4 дней до недели)
• Отсутствие периода реабилитации (быстропроходящая легкая гиперемия).

Приятная, расслабляющая, освежающая процедура. Для достижения стойкого эффекта требуется курс из 6-10 процедур 2-3 раза в неделю, далее желательны поддерживающие процедуры однократно в течение месяца, для усиления действия запатентованной формулы Pure Hyaluron и поддержания пролонгированного лифтинг — эффекта рекомендовано ежедневное использование геля Pure Hyaluron для домашнего использования.

ФИАН – 50 лет создания лазера

В 2010 году исполняется полвека с момента создания первого в мире лазера.

После  успехов  в  создании мазеров  в  середине 50-х  годов прошлого века  идея  создания  квантовых  генераторов,  излучающих  в  оптическом диапазоне,  т.е. лазеров, «витала  в воздухе». Термин «лазер»  тогда  еще не имел  распространения.  Многие  хотели  ответить  на  вызов  природы  и осуществить  инверсию  населенностей  в  среде  и  продемонстрировать усиление света в оптическом диапазоне длин волн. При этом естественное для исследователей желание  быть первым  всячески  ускоряло попытки. И сегодня «вирус первенства» является мощным рычагом познания природы. В  представленном  докладе  собраны  пионерские  работы  по  созданию лазеров,  выполненные  сотрудниками  лабораторий  оптического направления  в ФИАНе.  Хотя  к  этим  работам  применима  характеристика «впервые», в них ценно в первую очередь то влияние, которые они оказали на дальнейшее развитие физики лазеров и лазерной техники. Первые работы по созданию лазеров (pdf 68,3 МБ)

Начало лазерной эры в СССР

Составители:  С.Н. Багаев, К.Л. Водопьянов, Е.М. Дианов, О.Н. Крохин, А.А. Маненков, П.П. Пашинин, И.А. Щербаков
Настоящий сборник является совместным проектом российских журналов «Квантовая электроника» и «Труды ИОФАН». В сборник вошли 25 ранних приоритетных работ советских ученых, выполненных до 1972 г. Отбор статей был осуществлен авторитетной комиссией ученых в области лазерной физики. Все представленные работы воспроизведены по существу в том виде, в котором они были опубликованы почти полвека назад. Практически все внесенные изменения связаны с использованием удобочитаемых шрифтов и приведением использованных авторами размерностей к современному виду. Скачать сборник (18,3 МБ)

 

1952-1955 Мазеры

В начале 50-х годов XX века от радиофизиков пришли понятия о монохроматическом  излучении, инверсной населенности, резонаторах, обратной связи и генерации радиоизлучения. Н.Г. Басов в 1952 г. теоретически обосновал возможность построения конкретного устройства, в котором электромагнитные волны микроволнового диапазона генерируются при использовании стимулированного (вынужденного) излучения, а в статье Н.Г. Басова и А.М. Прохорова «Применение молекулярных пучков для радиоспектроскопического изучения вращательных спектров молекул» (ЖЭТФ, 1954, т. 27, №4, стр. 431-438) было опубликовано условие самовозбуждения молекулярного генератора. В июле 1954 г. Таунс с соавторами опубликовал сообщение о создании молекулярного генератора с использованием переходов между инверсионными уровнями молекулы аммиака (Phys. Rev. 1954. Vol. 95. P. 282-284). За работы, посвященные квантовым генераторам, Н.Г. Басов и А.М. Прохоров получили в 1959 г. Ленинскую премию. В 1964 г. Басову, Прохорову и американскому физику Ч. Таунсу за фундаментальные исследования в области квантовой радиофизики, позволившие создать генераторы и усилители нового типа – мазеры и лазеры, присуждена Нобелевская премия.Приоритет в применении рубина для создания мазеров принадлежит Прохорову и Басову. Твердотельные лазеры. Переход в оптический диапазон

                    

 
1958 г. А.М. Прохоров впервые высказал идею открытого резонатора, неотъемлемого элемента лазеров.

1960 Лазер на рубине Меймана    

Первый в мире лазер был создан Т.Х. Мейманом на рубине с использованием открытого резонатора, идея (1958 г.) и реализация (1959 г.) которого принадлежит А.М. Прохорову.

1961 Лазер на рубине в ФИАНе.    

В 1960 году, после того, как Шавлов и Таунс, а также Прохоров опубликовали статьи о перспективности получения генерации в оптической области спектра с использованием индуцированного излучения, Н.Г. Басов привлек к работам по созданию лазера на рубине сотрудников Лаборатории люминесценции М.Д. Галанина, А.М. Леонтовича и З.А. Чижикову. Весной 1961 года была создана лазерная установка, а 18 сентября 1961 года на установке была получена генерация. После исследования когерентных свойств излучения лазера была опубликована статья (ЖЭТФ, т. 43, № 7, 1962). Это была первая публикация в Советском Союзе по эксперименту с оптическим лазером.

1956–1963 Спектры люминесценции кристаллических решеток с внедренными в них трехзарядными ионами.         

После создания первого в мире лазера на рубине начались интенсивные исследования различных кристаллов с примесями ионов переходных металлов и редкоземельных элементов. Известны исследования Я.И. Френкеля, М.А Ельяшевича, П.П. Феофилова, М.Д. Галанина.

1960–1961 Лазер с CaF2U3+  Сорокина и Стивенсона

П.П. Сорокин и М. Стивенсон (IBM Research Laboratory, Yorktown Heights, New York) сообщили, что ими наблюдалось инфракрасное индуцированное излучение ионов трехвалентного урана, замещающих кальций во флуорите CaF2U3+, а в последующих их работах описаны лазеры на этом веществе и на CaF2Sm2+. В выборе рабочего вещества определяющую роль сыграли работы Л.Н. Галкина и П.П. Феофилова.

1963–1965 Первые советские лазеры с ионами Nd

Первый лазер на основе неодимового стекла с длиной волны излучения ~ 306 мкм был построен Е. Снитцером. Лазеры с ионами Nd3+ , внедренными в кристаллы SrF2 , были построены Я.С. Криссом и П.П. Феофиловым, и в кристаллы иттрофлюрита CaF2 – YF3  – группой авторов Х.С. Багдасаров, Ю.К. Воронин, А.А. Каминский, В.В. Осико, А.М. Прохоров.

1961–1965 Лазеры на стекле.   

Наряду с кристаллическими получили широкое распространение лазеры на фосфатных и силикатных стеклах. Особую важность приобрели волоконные световоды из кварцевого стекла. За работы по оптическим квантовым генераторам на неодимовом стекле и за освоение их серийного производства в 1974 году группе советских ученых и инженеров М.П. Ванюкову, А.А. Маку, А.М. Бонч-Бруевичу, Г.О. Карапетяну, Е.И.Галанту, Е.М. Дианову, П.Г. Крюкову, Ю.В. Любавскому, Е.А. Вершинскому, Е.М. Корягину, Б.Н. Репину, Б.В. Скворцову была присуждена Государственная премия.

1959–1965 Газовые лазеры

Первый газовый лазер (на смеси гелия и неона) был построен в 1961 г. Джаваном, Беннетом и Херриотом. Н.Г. Басовым, Е.П. Маркиным и Д.И. Машем в 1962 г. был создан первый советский гелий-неоновый лазер с излучением на длине волны 1,153 мкм. После ряда усовершенствований гелий-неоновый лазер стал одним из наиболее употребительных и получил название классического. Он вызвал к жизни множество исследований, посвященных лазерам на других газообразных активных веществах. Их можно разделить на четыре группы:

• ЛАЗЕРЫ С НЕЙТРАЛЬНЫМИ АТОМАМИ.
  В 1962 г. в США в лаборатории Белл-Телефон К. Пател получил генерацию на смеси гелий-неон на длине волны 11530.
  В 1963 г. Г.Г. Петраш и И.Н. Князев в ФИАНе наблюдали импульсную генерацию на неоне и на смеси неона и гелия. В.П. Чеботаев в Новосибирске в Институте полупроводников построил лазер на чистом неоне.
  В 1960 г. С.Г. Раутиан и И.И. Собельман в ФИАНе предложили осуществить отрицательное поглощение в парах металлов, обладающих большим количеством стабильных и метастабильных уровней энергии. Эта идея была реализована в 1961 г. Джекобсом, Гулдом и Рабиновичем в Нью-Йорке. Они получили когерентное усиление света в оптически возбужденном  газообразном цезии на длине волны  3,2 мкм.
• ИОННЫЕ ЛАЗЕРЫ.
  В отличие от лазеров с нейтральными атомами ионные лазеры генерируют более коротковолновое излучение.
  В СССР одноваттный ОКГ с Ar+ непрерывного действия был создан в 1965 г. В
  1966 г. был разработан лазер с ионами Ar , предназначенный для промышленного производства.
  В ФИАНе В.Ф. Китаевой, Ю.И. Осиповой и Н.Н. Соболевым в 1967 году выполнены спектральные исследования лазера с ионами  Ar+.
  Для ионных лазеров требуется высокая плотность разрядного тока  и высокие
  энергии накачки.
• МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ЛАЗЕРЫ.
  В 1960-х гг. были начаты работы по получению генерации в широком диапазоне длин волн с молекулярными активными веществами и по разработке новых методов накачки.
  В ФИАНе в 1961 г. С.Г. Раутианом и И.И. Собельманом была выполнена пионерская работа «Фотодиссоциация молекул как способ получения среды с отрицательным коэффициентом поглощения» (ЖЭТФ.1961.Т. 41. №6. С.
  2018-2019).
  Первый молекулярный лазер был создан в 1964 г. в США C. Пателом  на молекулах углекислого газа.
  В 1964 г. в ФИАНе П.А. Бажулин, И.Н. Князев и Г.Г. Петраш впервые построили лазер на молекулярном водороде.
  В 1966 г. В.К. Конюхов и А.М. Прохоров (ФИАН) впервые сообщили об инверсной населенности при адиабатическом расширении газовой смеси.
  В 1963 г. Н.Г. Басов и А.Н Ораевский (ФИАН) показали, что накачку молекулярного лазера можно осуществить путем нагревания или  охлаждения активной среды. Благодаря этой работе появилась возможность создания газодинамических лазеров, в которых активная газовая сред движется через оптический резонатор со сверхзвуковой скоростью. Тепловая энергия газа в форме  колебательного движения молекул непосредственно преобразуется в энергию когерентного излучения.
  В.К. Конюхов и А.М. Прохоров (ФИАН) в 1966. построил газодинамический лазер непрерывного действия на смеси углекислого газа, азота и воды и получил на него авторское свидетельство.
  В ФИАНе был построен CO2 лазер с усилительными каскадами длиной 120 м, работавший в непрерывном режиме.
• ЭКСИМЕРНЫЕ ЛАЗЕРЫ
  1960–1970 Понятие «эксимер» впервые введено в рассмотрение Б. Стивенсом и Е. Хаттоном.
  В 1970 г. Н.Г. Басов с сотрудниками в ФИАНе получили генерацию в жидком ксеноне на длине волны 0,176 мкм при накачке импульсным пучком электронов высокой энергии (800 кэВ). Главным достоинством эксимерного лазера является продвижение в ультрафиолетовую область.
  В 70-е годы создание эксимерных лазеров было серьезным достижением квантовой электроники.

1960–1963 Полупроводниковые лазеры

Н.Г. Басов, Б.М Вул и Ю.М. Попов  в статье «Квантовомеханические полупроводниковые генераторы и усилители электромагнитных колебаний» (ЖЭТФ. 1959. Т. 37. № 2. С. 587-588.) впервые рассмотрели принципиальную возможность использования электронных переходов между зоной проводимости и донорными, или акцепторными, примесными уровнями полупроводника для получения электромагнитного излучения с помощью механизма индуцированного излучения. В статье сформулированы условия сохранения состояний с отрицательной температурой и условия генерации. Эта работа зарегистрирована Комитетом по делам изобретений и открытий при Совете Министров СССР с приоритетом 7 июля 1958 г. Премия имени А.Ф. Иоффе 2000г. была присуждена Ю.М. Попову (ФИАН) за цикл работ по катодолюминесценции и полупроводниковым лазерам с катоднолучевой накачкой, выполненных в 1959-1963 гг. В 1959-1962 гг. в ФИАНе Н.Г. Басовым, О.Н. Крохиным и Ю.М. Поповым была выполнена большая серия теоретических и экспериментальных исследований по оптическим свойствам полупроводников инверсной населенности и отрицательной температуры. В ноябре 1962 г. появилось первое сообщение сотрудников «Дженерал моторс» (Холл и др.) о когерентном излучении на p-n переходе в арсениде галлия GaAs. В декабре 1962 г. советские авторы В.С. Багаев, Н.Г. Басов, Б.М. Вул и др. создали первый в СССР лазер на p-n переходе. За фундаментальные исследования, приведшие к созданию полупроводниковых квантовых генераторов, в 1964 году группе советских физиков (Б.М. Вул, О.Н. Крохин, Ю.М. Попов, А.П. Шотов, С.Н. Рывкин, Д.Н. Наследов, А.А. Рогачев, Б.В. Царенков) была присуждена Ленинская премия.В 1963-м и последующие годы в Ленинградском физикотехническом институте (ЛФТИ) Ж.И. Алферов, В.М. Андреев, Д.З. Гарбузов, Е.Л. Портной и др. разработали арсенидные гетероструктуры типа AlGaAs – GaAs и др., на которых с помощью инжекции электронов в гетеропереход удалось резко повысить эффективность лазеров. Работы были отмечены Нобелевской премией 2000 г.

1963–1970 Химические лазеры

Канадский химик Дж. Полани впервые обратил внимание на то, что молекулы в возбужденных колебательных состояниях могут использоваться для создания лазеров в области колебательных частот молекул. Н.Г. Басов и А.Н. Ораевский (ФИАН) в 1963 году показали, что быстро протекающие процессы могут привести к инверсии за счет различных скоростей релаксации уровней энергии в молекулах. Один из основоположников химических лазеров А.Н. Ораевский (ФИАН) непосредственно показал, что при химических реакциях могут возникать отрицательные температуры. В.Л. Тальрозе в Институте химической физики АН СССР дал глубокий математический анализ кинетических проблем, возникающих в теории химических лазеров. Первая экспериментальная реализация идеи превращения энергии химической реакции в энергию когерентного электромагнитного излучения принадлежит Дж. В. Касперу и Дж. К. Пиментелу (1965 г.).Галогеноводороды стали наиболее часто употребляемыми активными веществами в химических лазерах. А.Н. Ораевским (ФИАН) была рассмотрена проблема установления общих корреляций между химическими реакциями различных типов и параметрами соответствующих лазеров. В Институте химической физики АН СССР О.М. Батовский и други построили на смеси водорода и фтора первый лазер на основе разветвленной химической реакции. Усиление излучения на обертонах было впервые получено в цепной реакции фтора с водородом в лаборатории Н.Г. Басова (ФИАН).

1961–1967 Лазеры на красителях

Идея использовать органические соединения в качестве активных сред для лазеров была выдвинута (1961 г.) С.Г. Раутианом и И.И. Собельманом (ФИАН), показавшими, что при определенных условиях коэффициент поглощения среды с органическими молекулами может стать отрицательным.Этой идее предшествовали работы А.Н. Теренина (ГОИ), В.Л. Броуде (Украинский физический институт, Киев). Трудами советских ученых были созданы все предпосылки для построения лазеров на красителях. (Л.Д. Деркачева (ФИАН), Рубинов А.Н. (Институт физики, Минск)) Первый лазер с органической активной средой (фталоцианин хлористого алюминия) с длиной волны излучения 0,7555 мкм  был создан в США П.П. Сорокиным и Дж. Лэнкардом (1966 г.). В СССР оптическая генерация  на органических красителях была впервые получена  (1967 г.) в Институте физики АН БССР в Минске академиком Б.И. Степановым и его сотрудниками А.Н. Рубиновым и В.А. Мостовниковым.

1962–1966 Параметрические генераторы

К 1961 году относится появление работ в области нелинейной оптики (С.А. Ахманов, Р.В. Хохлов), которые явились основополагающими для создания умножителей частоты лазерного излучения, генераторов суммарных и разностных частот, параметрических генераторов света, комбинационных лазеров и других нелинейных устройств. В 1962 г. независимо от С.А. Ахманова и Р.В. Хохлова Н. Кролл и Р.Кингстон разработали принцип параметрического усиления  и генерации световых волн (параметрические генераторы света). Параметрическое возбуждение колебаний в квантовых системах было исследовано Ф.В. Бункиным (1960 г.).В 1965 году Р.В. Хохлов, С.А. Ахманоа и др. создали в МГУ параметрические генераторы света, в которых активными веществами служили кристаллы дигидрофосфатов калия, аммония и мышьяка (?). Накачка осуществлялась второй гармоникой излучения лазера на неодимовом стекле в режиме гигантских импульсов. Длина генерируемых волн в параметрическом генераторе имела порядок 10 600  с перестройкой длины волны. В 1965 году Дж. А. Джордмейн и Р.С. Миллер в США создали параметрический генератор, в котором активным веществом служил кристалл ниобата лития.

1961–1985 Рентгеновские и гамма-лазеры

Для повышения мощности излучения и расширения диапазонов длин волн, на которых достигается генерация, началась разработка идеи генерации когерентного рентгеновского и гамма-излучения.Первая работа по гамма-лазерам была выполнена в 1961 г. Л.А. Ривлиным.Один из методов получения инверсии населенностей в глубоких электронных оболочках атомов предложил в 1972 году М. Коркли. В то же 1972 году А.В. Виноградов и И.И. Собельман (ФИАН) показали, что в качестве активной среды для лазера в области длин волн 50–150 Ао можно использовать плазму с многозарядными ионами.В 1973 г. В.С. Летохов дал общую теорию γ – лазеров на ядерных переходах.В 1975 году И.И. Собельман обосновал возможность получения инверсии населенностей и лазерной генерации в высокотемпературной плазме гелиоподобных ионов. Накачка могла осуществляться концентрированными лучами мощных лазеров.Трудами советских и зарубежных ученых были созданы теоретические предпосылки для построения разера.Л.Д. Розен и др. в Лаборатории имени Э. Лоуренса (США) в 1985 г. создали первый лабораторный разер.

Особенности безопасной работы с лазерами в оптической хирургии

Когда лазеры только стали появляться в лабораториях, как сами приборы, так и их приложения были настолько специальными, что вопрос о безопасности работы с лазерными излучателями вставал перед весьма ограниченным кругом исследователей и инженеров и не был предметом общего обсуждения. Сейчас, когда использование лазеров в научных лабораториях и промышленных предприятиях стало обычным делом, а применение лазеров в повседневной жизни значительно расширилось, исследователи просто обязаны решить вопрос о безопасности работы с этими устройствами. Лазеры стали неотъемлемым компонентом многих современных методов оптической микроскопии, и, в составе сложных оптических систем, они могут представлять серьезную угрозу при несоблюдении мер безопасности.

Рис.1. Анатомия человеческого глаза

Две главных составляющих опасности при работе с лазерными источниками — это облучение лазерным лучом и поражение током, связанное с высокими напряжениями в самом лазере и в источнике питания. Хотя смертельные случаи в результате облучения лазерным лучом неизвестны, есть несколько примеров смертельных исходов при контакте с компонентами лазера под высоким напряжением. Лучи достаточно высокой мощности могут вызвать ожоги кожи или, в некоторых случаях, привести к возгоранию или повреждению каких-либо материалов, но главной опасностью лазерного луча является возможность повреждения глаз, как наиболее чувствительного к свету органа. Многими государственными и другими организациями разработаны стандарты безопасности при работе с лазерами; некоторые из них носят обязательный, а некоторые рекомендательный характер. Большинство требований стандартов безопасности, закрепленных законом, относится к производителям лазеров, хотя конечный потребитель должен быть больше всех заинтересован в безопасной работе — предупреждении возможных повреждений или даже смерти.

Вред глазу может быть нанесен мгновенно, поэтому, чтобы минимизировать риск, меры предосторожности необходимо принимать заранее, так как в последний момент может быть уже поздно. Лазерное излучение подобно солнечному свету в том смысле, что оно тоже падает на глаз параллельными лучами, которые очень эффективно фокусируются на сетчатке, внутренней оболочке глаза, чувствительной к свету. На рисунке 1 представлено общее анатомическое строение человеческого глаза, с выделением структур особенно чувствительных к интенсивному излучению. Потенциальная опасность для глаз зависит от длины волны лазерного излучения, интенсивности пучка, расстоянию от излучателя до глаза и мощности лазера (как среднего значения мощности при непрерывной генерации импульсов, так и пиковой мощности при импульсном излучении). Длина волны имеет очень большое значение, потому что только излучение в диапазоне приблизительно от 400 до 1400 нанометров может попасть в гла и значительно повредить сетчатку. Свет в ближнем УФ-диапазоне может повредить слои, близкие к поверхности глаза, и привести к развитию катаракты, особенно у молодых людей, глазная ткань которых более прозрачна для света этих длин волн. Свет ближней ИК-области также может повредить поверхность глаза, хотя и с более высоким порогом повреждения (лучевой стойкости), чем ультрафиолет.

Реакция человеческого глаза на разные длины волн не одинакова и это определяет, наряду с другими факторами, описанными ниже, потенциальный вред глазу. Воздействие импульсных лазеров отличается от воздействия лазеров с непрерывным излучением. На практике, лазеры, работающие в импульсном режиме, имеют большую мощность, и единичный микросекундный импульс достаточной мощности может нанести серьезное повреждение при попадании в глаз, тогда как менее мощное непрерывное излучение может повредить глаз только при длительном облучении. Спектральная область особой важности — это опасный для сетчатки диапазон, который располагается между 400 (фиолетовый цвет) и 1400 нанометрами (ближняя ИК-область спектра), включая всю видимую область спектра электромагнитного излучения. Опасность повреждения светом этих длин волн усиливается возможностью глазной фокусировки, когда направленный свет собирается глазом на сетчатке в очень маленькое пятно, с очень высокой концентрацией мощности на единицу площади.

Классификация лазеров

Среди множества стандартов безопасности, разработанных для работы с лазерами, как государственными, так и другими организациями, основополагающим в США являются стандарты Z136 серии, принятые Американским национальным институтом стандартизации (ANSI). Стандарты безопасной работы с лазерами ANSI Z136 являются основой технических правил, утвержденных Управлением охраны труда (OSHA) и используемых для оценки рисков при работе с лазерами. Кроме того, они являются отправной точкой для технических инструкций, принятых во многих штатах. Вся лазерная продукция, продаваемая в США с 1976 года, должна быть классифицирована согласно этим стандартам и сертифицирована как отвечающая требованиям безопасности для своего класса. Результаты исследований и накопленное с опытом понимание потенциальной угрозы солнечного света и других источников излучения привели к установлению номинальной безопасной дозы облучения для большинства типов лазерного излучения. Для упрощения процедур обеспечения безопасности в целях предотвращения несчастных случаев была разработана система категорий безопасности лазеров, основанная на установленном пределе допустимого облучения и опыте, приобретенном за годы использования лазеров. Производитель лазера обязан сертифицировать свою лазерную продукцию на соответствие требованиям одной из категорий или классов риска, и соответствующим образом маркировать излучатели. В приведенном ниже списке кратко описаны четыре основные категории лазеров. Необходимо подчеркнуть, что это изложение является кратким и не отражает полного списка требований к категориям лазеров по степени их опасности.

• Класс I Лазеры этого класса являются безопасными, согласно современным представлениям, при любом возможном излучении, при их конструкции. К маломощным устройствам (0.4 милливатт на длинах волн видимой области спектра), использующими лазеры этого класса, относятся лазерные принтеры, CD-плееры, оборудование для съемки. Не допускается, чтобы испускаемое ими излучение превышало предельно допустимый уровень воздействия на глаз. Более опасные лазеры могут быть включены в класс I, но никакое вредное излучение не должно проникать наружу во время работы устройства или его технического обслуживания (но не обязательно во время сервисного обслуживания или ремонта). Для использования лазеров этого класса не предусмотрено никаких особых мер безопасности.
• Класс IA — специальное обозначение лазеров, со специальной областью применения, когда попадание лазерного луча в глаза маловероятно, например лазерные сканеры в супермаркетах. Для них допустима большая, чем для лазеров класса I, мощность (не более 4 милливатт), но предел длительности излучения лазеров класса I не должен превышать 1000 секунд.
• Класс II — это маломощные лазеры, генерирующие видимое излучение. Яркость пучка должна быть такой, чтобы предупредить достаточно длительное облучение глаза и возможность повреждения сетчатки. Допустимая мощность излучения этих лазеров не превышает 1 милливатт, что ниже максимально допустимого предела облучения для мгновенного импульса в 0,25 секунд и менее. Считается, что естественный рефлекс моргания глаз на свет этой яркости должен защитить глаза, но любое намеренное наблюдение в течение длительного времени может нанести вред. К лазерам этого класса относятся демонстрационные лазеры в учебных комнатах, лазерные указки, различные дальномеры.
• Класс IIIA — это лазерные устройства с непрерывной генерацией импульсов излучения средней мощности (1–5 милливатт), которые применяются в тех же областях, что и лазеры класса II, включая сканеры и указки. Они считаются безопасными при мгновенном попадании в глаз лазерного излучения (в течение менее 0,25 секунд), но при этом прямое попадание излучения в глаз или наблюдение через увеличительную оптику не допускается.
• Класс IIIB — это лазеры средней мощности (непрерывная генерация излучения мощностью 5–500 милливатт, или 10 Дж на квадратный сантиметр в импульсных лазерах). Они небезопасны при прямом попадании в глаз или при зеркальном отражении. Специальные меры предосторожности описаны в стандартах безопасности для этого класса лазеров. Примерами этого типа лазеров являются спектральные приборы, конфокальные микроскопы, устройства для лазерных шоу.
• Класс IV — это лазеры высокой мощности, превышающей мощность устройств класса IIIB, которые требуют строжайшего контроля за соблюдением мер безопасности при их использовании. Как прямой, так и диффузно-рассеянный лучи этого лазера являются опасными для глаз и кожи и могут вызвать возгорание материала, на который они падают (зависит от материала). Большинство повреждений глаз вызвано отраженным светом лазеров класса IV, поэтому все отражающие поверхности должны быть убраны с пути луча, и необходимо носить в течении всего времени работы с этими лазерами соответствующие защитные очки. Лазеры этой категории применяются в хирургии, при выполнении операций резания, сверления, микрообработки и сварки.

Хотя сегодня стандарты ANSI Z136 классифицируют лазеры на классы от I до IV, скорее всего, при следующем пересмотре стандартов ANSI будет принята новая классификация безопасности лазеров, чтобы привести ее в большее соответствие с международными стандартами, например, с принятыми Международной электротехнической комиссией (IEC) и теми, которые уже одобрены Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США. Изменения в стандартах, главным образом, являются ответом на повсеместное распространение таких устройств, как лазерные указки и подобных им, которые обычно используются людьми, незнакомыми с лазерной безопасностью. В этих изменениях также попытаются учесть специальные характеристики источников с высокой расходимостью пучка, таких как лазерные диоды. Эти изменения незначительны, и, в целом, с учетом накопленных знаний и опыта, продолжают курс на ослабление консервативных стандартов, разработанных в 1970-х годах.

Рис.2. Характеристики пропускания глаза человека

Новая классификация сохраняет четыре основных класса лазеров от 1 до 4, но смягчает требования в классах 1, 2 и 3 и вводит в них специальные подкатегории: 1M, 2M и 3R. Вкратце, новые категории могут быть описаны следующим образом: класс 1M включает лазеры, неспособные нанести вред, за исключением случаев попадания в глаза через оптические приборы. Лазеры класса 2M излучают видимый свет и безопасны, если не смотреть на них через оптические приборы и если время попадания на глаз менее 0,25 секунды. Это то время, за которое естественная ответная реакция на яркий свет и рефлекс моргания защищают сетчатку от повреждений. В класс 3R включены лазеры, которые приближаются к категории опасных при прямом попадании в глаз лазерного излучения. Они могут иметь выходную мощность в пять раз большую, чем лазеры классов 1 и 2. При их эксплуатации должны быть приняты дополнительные меры для предотвращения прямого попадания излучения, особенно для невидимого спектра.

Потенциальная опасность поражения глаз

Примечательно, что общим предостережением для большинства категорий лазеров является запрет смотреть на лазерный луч через любую увеличительную оптику. Основная опасность, которую лазеры представляют для человеческого глаза, следует из того, что глаз сам по себе является высокоточным и эффективным фокусирующим оптическим устройством для света в определенном диапазоне. Объединение лазеров с оптикой микроскопов только увеличивает потенциальную опасность поражения глаз лазерным излучением. Обычно в оптических лабораториях находится много лазеров, как встроенных в другие системы, например, во флуоресцентные микроскопы, так и в качестве источников света, устанавливаемых на открытых оптических скамьях. Главной опасностью, исходящей от этих «открытых» лазеров, является возможность попадания в глаза рассеянных горизонтальных лучей на высоте стола, лучей, отраженных от плоскости стола, от оптических компонентов и внешних отражающих поверхностей, таких как ременные пряжки, часы, драгоценности и любые другие отражающие поверхности в помещении. Попадание на долю секунды даже малой дозы отраженного излучения может быть достаточным для повреждения глаз и временной потери зрения.

Вероятность повреждения различных структур глаза лазерным излучением зависит от типа этих структур. Будет ли повреждена роговица, хрусталик, или сетчатка зависит от характеристик поглощения различных глазных тканей, а также длины волны и интенсивности лазерного излучения. Длина волны излучения, попадающего на сетчатку, внутреннюю поверхность глаза, определяется суммарными характеристиками пропускания глаза. На рисунке 2 представлена зависимость пропускания глаза от длины волны излучения в соответствующем спектральном диапазоне. Сетчатка, хрусталик и стекловидное тело глаза пропускают электромагнитное излучение в диапазоне приблизительно от 400 до 1400 нанометров, называемом диапазоном глазной фокусировки. Свет этого диапазона фокусируется на сетчатке — чувствительной поверхности, откуда сигналы поступают в мозг по зрительному нерву. При взгляде прямо на точечный источник света (что именно и происходит при прямом попадании в глаза коллимированного пучка лазерных лучей), на сетчатке формируется фокусное пятно малой площади, с высокой плотностью энергии, что с большой вероятностью приводит к повреждению глаза. Мы подвергаем себя, в определенной степени, той же опасности, когда прямо смотрим на солнце, только в случае лазеров, она еще больше.

Оптическое усиление ненапряженного человеческого глаза при попадании коллимированного пучка лучей, которое выражается как отношение площади зрачка к площади (сфокусированного) изображения на сетчатке, составляет величину около 100000. Это соответствует увеличению облученности (плотности потока излучения) при прохождении света от роговицы до сетчатки в пять раз. С учетом аберрации в системе хрусталик-роговица и дифракции на радужной оболочке глаза, нормальный глаз способен фокусировать на сетчатке пятно размером 20 микрометров. Такая эффективность глаза приводит к тому, что даже маломощный лазерный луч, при попадании в глаза, может быть сфокусирован на сетчатке и почти мгновенно прожечь в ней отверстие, безнадежно повредив при этом зрительные нервы. Кажущаяся малая мощность лазеров может быть очень обманчива, учитывая опасную степень концентрации энергии излучения при фокусировке лучей пучка. В случае прямого попадания в глаза лазерного пучка мощностью 1 милливатт, облученность, сетчатки составляет 100 ватт на квадратный сантиметр. Для сравнения, плотность потока солнечных лучей, если смотреть прямо на солнце, равняется 10 ваттам на квадратный сантиметр.

На рисунке 3 сравниваются возможности глаза при фокусировании света от двух источников: света от протяженного источника, такого как обыкновенная матированная стеклянная лампа, и высококоллимированного лазерного луча, который очень близок к свету от точечного источника. Из-за различной природы источников света, плотность потока на сетчатке от сфокусированного лазерного луча мощностью 1 милливатт может быть в миллион раз больше, чем от обыкновенной 100-ваттной лампочки. Если предположить, что лазерный пучок с идеальным гауссовским распределением интенсивности излучения по поперечному сечению падает на свободный от аберрации глаз под прямым углом, то размер пятна, ограниченного дифракционным пределом, может составить всего 2 микрона. Для протяженного источника этот размер будет порядка нескольких сотен микрон. При этом плотность потока (интенсивность излучения) на сетчатке, как показано на рисунке 3, составляет приблизительно 10•(E8) и 10•(E2) ватт на квадратный сантиметр соответственно.

Может показаться, что прожженное на сетчатке пятно, даже размером 20 микрометров, не приведет к существенному ухудшению зрения, поскольку сетчатка содержит миллионы колбочек (зрительных клеток). Тем не менее, повреждения сетчатки обычно больше первоначального фокусного пятна благодаря вторичным термическим и акустическим эффектам; и в зависимости от расположения, даже совсем маленькое повреждение сетчатки может привести к значительному ухудшению зрения. В самом худшем случае, когда глаз полностью расслаблен (сфокусирован на бесконечности), а лазерный луч падает на него под прямым углом или зеркально отраженный, луч фокусируется на сетчатке в самое маленькое пятно. Если повреждение происходит в месте соединения зрительного нерва с глазом, результатом может быть полная потеря зрения. Ожог сетчатки чаще всего возникает в области центрального зрения, macula lutea (желтое пятно), имеющей размеры около 2,0 миллиметров по горизонтали и 0,8 миллиметров по вертикали. Центральная часть пятна, называемая fovea centralis (центральная ямка), всего 150 микрометров в диаметре, но именно она обеспечивает остроту зрения и восприятие цвета. Области сетчатки вне этого крошечного участка воспринимают свет и фиксируют движение, то есть формируют периферийное зрение, но не участвуют в различении деталей. Следовательно, повреждение центральной ямки, хоть она и занимает всего 3–4 процента от площади сетчатки, может привести к необратимой потере остроты зрения.

Рис.3. Плотность излучения, попадающего на сетчатку от протяжённого и точечного источника

Диапазон длин волн, достигающих сетчатки глаза, охватывает весь видимый спектр от синего (400 нанометров) до красного (700 нанометров), а также ближнюю ИК-область спектра от 700 до 1400 нанометров (IR-A). Поскольку сетчатка не чувствительна к излучению вне видимого спектра, то при облучении ее ближними инфракрасными волнами, в глазу не возникает никаких ощущений, что делает лазеры, работающие в этом диапазоне гораздо более опасными для глаз. Будучи невидимым, луч, тем не менее, фокусируется на сетчатке. Как уже обсуждалось выше, из-за эффективной фокусирующей способности глаза, относительно небольшое лазерное излучение может повредить сетчатку, а иногда привести и к серьезным проблемам со зрением. Излучение импульсных лазеров обладает высокой интенсивностью, и при фокусировке на сетчатке может вызывать резкое кровоизлияние, причем пострадавший участок может быть по размеру гораздо больше фокусного пятна. Пораженные области сетчатки не заживают и, как правило, не восстанавливаются.

Благодаря другим компонентам глаза, главным образом роговице и хрусталику, поглощаемое сетчаткой излучение ограничено диапазоном глазной фокусировки, что по-другому можно назвать опасным для сетчатки диапазоном. В процессе поглощения вред наносится и самим поглощающим структурам. Но страдает при этом только ткань, поглощающая излучение, и ткани, непосредственно примыкающие к ней. В большинстве примеров облучения на длинах волн вне диапазона от 400 до 1400 нанометров, последствия были непродолжительными. Роговица ведет себя подобно коже, в том смысле, что она постоянно обновляется, и только весьма серьезные повреждения, приводящие к рубцам, могут повлиять на эффективность зрения. Наиболее сильное поражение роговицы вызывает излучение дальнего ИК и УФ спектра.

Из-за высокой фокусирующей способности глаза, облучение даже относительно слабым когерентным лазерным пучком может причинить непоправимый вред. Следовательно, при использовании мощного лазера, зеркальное отражение (при котором сохраняется когерентный пучок) даже нескольких процентов потока излучения в течение доли секунды, может вызвать повреждение глаза. И напротив, когда лазерный пучок отражается от шероховатой поверхности или, даже, от частиц пыли в воздухе, излучение рассеивается, и диффузно-отраженное излучение попадает в глаз под большим углом. При распределении энергии светового потока на большей площади, отраженный свет приобретает свойства протяженного источника, и создает на сетчатке изображение большего размера, в сравнении с концентрированным фокусным пятном от точечного источника (см. рисунок 3). Диффузия пучка, таким образом, уменьшает вероятность повреждения глаза не только за счет увеличения размера источника и уменьшения плотности светового потока, но также благодаря нарушению когерентности луча.

Таблица 1. Биологическое воздействие лазерного излучения

Фотобиологическая спектральная область (МКО диапазон)	Воздействие на глаз	Воздействие на кожу
Ультрафиолет C (200-280 нм)	фотокератит	эритема (солнечный ожог), рак кожи
Ультрафиолет B (280-315 нм)	фотокератит	эритема (солнечный ожог), ускоренное старение кожи, повышенная пигментация
Ультрафиолет A (315-400 нм)	фотохимическая УФ, катаракта	потемнение пигмента, ожог кожи
Видимый (400-780 нм)	фотохимическое и тепловое повреждение сетчатки, ухудшение цветового и ночного зрения	ожог кожи, фоточувствительные реакции
Инфракрасный A (780-1400 нм)	ожог сетчатки, катаракта	ожог кожи
Инфракрасный B (1400-3000 нм)	ожог роговицы, воспаление водянистой влаги, катаракта, вызванная ИК- облучением	ожог кожи
Инфракрасный C (3000-1 миллион нм)	ожог роговицы	ожог кожи

Потенциальные поражения глаз могут быть классифицированы относительно длины волны лазерного излучения и по структурам глаза, которые могут быть повреждены. При этом наиболее сильное воздействие оказывается на сетчатку, а наиболее опасным диапазоном оказывается видимая и ближняя инфракрасная области спектра. В зависимости от количества поглощенной энергии, возможен тепловой ожог, поражение акустической волной или фотохимические изменения. Биологическое воздействие, оказываемое на глазные ткани излучением на различных длинах волн, кратко описано ниже и перечислено в таблице 1.

Ультрафиолет-B и C

(200–315 нанометров): Поверхность роговицы поглощает весь ультрафиолетовый свет в этом диапазоне, не допуская попадания излучения на сетчатку. В результате может развиться фотокератит (иногда называемый «сварочными зайчиками»), как следствие фотохимических процессов, приводящих к денатурации белка роговицы. В дополнение к лазерному, излучение этого диапазона может возникать от лазерной накачки или как компонент синего света при попадании в мишень, что требует дополнительных мер предосторожности кроме описанных в стандартах ANSI, которые учитывают лишь лазерное излучение. Воздействие на глаз в этом диапазоне обычно непродолжительно благодаря быстрому восстановлению роговичной ткани.

Ультрафиолет-A

(315–400 нанометров): Роговица и стекловидное тело пропускают свет этих длин волн, который поглощается, главным образом, хрусталиком глаза. Фотохимическая денатурация белка хрусталика приводит к развитию катаракты.

Видимый свет и инфракрасный-A

(400–1400 нанометров): Этот спектральный отрезок часто называют опасным для сетчатки диапазоном по той причине, что роговица, хрусталик и стекловидное тело прозрачны для света этих длин волн, и световая энергия поглощается сетчаткой. Поражение сетчатки возникает в результате тепловых или фотохимических процессов. Фотохимическое повреждение рецепторов сетчатки, может ухудшить либо общую светочувствительность или цветочувствительность глаза, а инфракрасные волны могут вызвать образование катаракты хрусталика. При поглощении глазом значительного количества энергии лазерного излучения, наиболее вероятен тепловой ожог, при котором свет, поглощенный гранулами меланина пигментированного эпителия, преобразуется в тепло. При фокусировке лазерного излучения этого диапазона роговицей и хрусталиком происходит увеличение облученности сетчатки приблизительно в 100000 раз. Вероятность поражения глаз излучением видимого диапазона лазеров относительно малой мощности, сокращается благодаря рефлексу моргания глаз (занимающего около 0,25 секунды), что помогает отвести взгляд от яркого луча. Если энергии пучка достаточно для повреждения глаза менее чем за 0,25 секунды, этот естественный защитный механизм становится неэффективен; к тому же он абсолютно бесполезен в невидимом ближнем инфракрасном диапазоне от 700 до 1400 нанометров. Лазеры, работающие в импульсном режиме, представляют дополнительную опасность поражения из-за генерации ударно-акустических волн в ткани сетчатки. Лазерные импульсы длительностью менее 10 микросекунд генерируют ударные волны, приводящие к разрыву ткани. Повреждения этого типа необратимы и потенциально более опасны, чем тепловой ожог, поскольку они обычно захватывают большую площадь сетчатки и возможны при меньшей энергии. Поэтому длительность облучения глаз, максимально допустимая стандартами безопасности, значительно меньше для короткоимпульсных лазеров.

Инфракрасный-B и инфракрасный-C

(1400 — 1 миллион нанометров): На длинах волн более 1400 нанометров роговица поглощает энергию благодаря содержащейся в ней воде и естественной слезной пленке. Это приводит к нагреванию и, как следствие, к денатурации белка у поверхности. Глубина проникновения растет с увеличением длины волны, а тепловое воздействие на белки хрусталика (критическая температура немногим больше нормальной температуры тела) может привести к его помутнению, называемому инфракрасной катарактой. В дополнение к образованию катаракты и ожога роговицы, инфракрасное излучение может привести к воспалению водянистой среды, при котором прозрачность водянистой среды передней камеры ухудшается из-за разрыва кровеносных сосудов.

В общем, лазерное излучение в ультрафиолетовом и далеком инфракрасном диапазонах поглощается роговицей и хрусталиком, и его воздействие зависит от интенсивности и длительности облучения. При большой интенсивности сразу возникает тепловой ожог, а слабое излучение может стать причиной дальнейшего развития катаракты. Конъюнктива тоже может пострадать при лазерном

облучении, хотя поражение конъюнктивы и роговицы обычно происходит при облучении светом большей мощности, чем поражение сетчатки. В результате, поскольку повреждения сетчатки приводят к более тяжелым немедленным последствиям, опасность повреждения роговицы учитывается лишь при работе с лазерами длин волн, не достигающих сетчатки (по существу, дальняя ИК-область и УФ).

Типы поражения кожи

Поражения кожи, вызванные воздействием лазерного излучения, обычно считаются менее важными по сравнению с возможностью поражения глаз; хотя с распространением лазерных систем высокой мощности, особенно ультрафиолетовых излучателей, незащищенная кожа может подвергаться чрезвычайно опасному облучению от не полностью закрытых систем. Являясь органом тела с самой большой поверхностью, кожа больше всего подвержена риску облучения, но, в то же самое время, она эффективно защищает от него большинство остальных органов (за исключением глаз). Важно иметь в виду, что многие лазеры предназначены для обработки материалов (например, резание или сверление), которые гораздо прочнее кожи, хотя такие лазеры обычно и не используются в микроскопии. Руки и голова — это те части тела, которые чаще всего подвергаются случайному облучению лазерным пучком при юстировке и других действиях с аппаратурой; и пучок достаточной интенсивности может вызвать тепловые ожоги, повреждения фотохимической и ударной (акустической) природы.

Наибольшие повреждения кожи возникают из-за высокой плотности излучения лазерного пучка, а его длина волны в некоторой степени определяет глубину проникновения и характер повреждения. Наибольшей глубиной проникновения обладают волны в диапазоне 300–3000 нанометров, достигая максимума в инфракрасном A спектре на длине 1000 нанометров. При работе с потенциально опасными для кожи лазерами должны быть приняты соответствующие меры предосторожности, а именно: необходимо носить одежду с длинными рукавами и перчатки из огнестойкого материала. Во многих случаях процедуры юстировки можно выполнить, используя лазеры меньшей мощности, чем требуется при проведении самих исследований.

Поражения электрическим током

Опасности поражения электрическим током, связанные с электрическими компонентами лазеров и источниками питания, одинаковы почти для всех типов лазеров и не требуют спецификации по категориям или конфигурациям лазеров. Все лазеры основных функциональных категорий (газовые, твердотельные, лазеры на красителях, полупроводниковые), за исключением полупроводниковых, требуют высокого напряжения и, часто, использования большого тока для генерации лазерного луча. Различие заключается только в месте приложения высокого напряжения — непосредственно к резонатору самого лазера, к лампе накачки или лазеру накачки, поскольку, тем не менее, оно никогда не присутствует в самой системе. Особенно опасными являются лазеры, сохраняющие высокое напряжение в конденсаторах или других компонентах уже после выключения. Это особенно характерно для импульсных лазеров, о чем нельзя забывать, когда по каким-либо причинам необходимо снять их корпус. Всегда надо помнить, что существует опасность удара током, если в точности не установлено обратное. Многим лазерам высокое напряжение необходимо только до начала генерации излучения, после чего они работают при обычном для бытовых устройств напряжении. Но это не может быть оправданием несоблюдения правил безопасности при работе с любым электрическим устройством.

Особые требования и меры безопасности при работе с лазерами микроскопов

Лазеры и сами измерительные приборы, включающие лазеры, должны отвечать определенным требованиям безопасности. В зависимости от класса безопасности лазер должен иметь либо прерыватель пучка, либо специальный механизм блокировки излучения ключом, либо другое устройство безопасности. При входе во все помещения, где находятся лазеры, представляющие потенциальную опасность, а также в тех местах рядом с лазером, где существует особенная опасность поражения, должны висеть предупреждающие знаки (примеры приведены на рисунке 4). Для устройств, лазерный луч которых не может попасть в глаза пользователю, дополнительных мер предосторожности не требуется.

Многие лабораторные лазеры имеют те же свойства, что и лазеры высокой мощности, используемые в промышленных целях, поэтому для их применения может потребоваться специальное экранирование для защиты оператора от лазерного пучка. Выходные длины волн для большинства обычно используемых лазеров приведены в таблице 2. В тех рабочих ситуациях, когда возможность попадания лазерного луча в глаза не может быть абсолютно исключена, необходимо надевать защитные очки. Важно, чтобы эти очки задерживали свет на длине волны лазера, но пропускали остальной свет, чтобы обеспечить соответствующую видимость. Ключевым моментом является соответствие фильтрации используемому лазеру, поскольку универсальных защитных очков для всех лазеров или для всех длин волн многоволнового лазера не существует. Поскольку лазерный луч может попасть в глаза под любым углом, прямым либо отраженным от поверхностей, очки должны блокировать все возможные направления.

Рис. 4. Знаки, предупреждающие о лазерной опасности

Титан-сапфировый лазер (обычно обозначаемый Ti: сапфировый лазер) является универсальным примером перестраиваемого твердотельного лазера на колебательных переходах. Лазерам этого типа необходима оптическая накачка встроенной лампой накачки или другим лазером, внутренним или внешним по отношению к основному. Из-за разнообразия конфигураций Ti: сапфировых лазерных систем невозможно дать для них единый набор правил безопасности. Эти лазеры могут работать как в непрерывном, так и импульсном режиме, и в зависимости от системы оптической накачки, требования электробезопасности, предъявляемые к ним, могут значительно изменяться. Перенастраиваемая длина волны титан-сапфировых лазеров обычно находится в диапазоне от 700 до 1000 нанометров, поэтому при работе с ними необходимо соблюдать стандартные меры безопасности для лазеров, работающих на длине волны, достигающей сетчатки (меньше 1400 нанометров). Поскольку длина волны излучения меняется, необходимо использовать защитные очки. Пользователь должен быть уверен, что любое блокирующее лазерный пучок устройство соответствует длине(ам) излучаемой волны. Один короткий мощный импульс при работе в импульсном режиме может нанести глазу непоправимый вред, поэтому необходимо принять все меры предосторожности, чтобы попадание луча на любом направлении, как прямом, так и периферийном.

Важно иметь в виду, что в некоторых конфигурациях Ti: сапфирового лазера рассеянный свет от лазера накачки может быть более опасным, чем луч основного лазера, и если есть хоть какая-нибудь вероятность попадания этого света в рабочую область, должна быть использована защита для глаз на соответствующей длине волны. Если лазер накачки стоит отдельно от вибронного лазера, могут потребоваться дополнительные меры предосторожности, чтобы исключить возможность излучения рассеянного света при сопряжении двух лазеров. В системах с накачкой импульсными лампами высокое напряжение, подаваемое на них, может сохраняться в качестве конденсаторного заряда и после выключения системы. Это необходимо помнить, чтобы избежать электрического удара при проведении технического обслуживания. Ближнее инфракрасное излучение, испускаемое лазерами этого типа, может быть особенно опасно, так как, хотя луч и невидим, или едва заметен на границе диапазона около 700 нанометров, на сетчатке фокусируется большое количество инфракрасного света.

Легирование хромом различных твердотельных материалов оказалось весьма перспективным для развития новых перенастраиваемых вибронных лазеров (на колебательных переходах). Поскольку они становятся все более распространенными, необходимо учитывать меры безопасности, специфичные для каждого типа этих лазеров. Легированный хромом стронций-литий-алюминиевый фторид (Cr:LiSAF) показал себя многообещающей средой лазеров с диодной накачкой, и в некоторых приложениях мультифотонной микроскопии используется вместо Ti: сапфировых лазеров. На перенастраиваемых длинах волн инфракрасного диапазона меры предосторожности аналогичны тем, которые применимы при использовании Ti: сапфирового лазера. Однако, поскольку лазеры, легированные хромом, появились относительно недавно, нужно иметь в виду, что защитные фильтры и очки могут не подходить для длин волн этих лазеров.

Аргоновый ионный, и менее распространенный криптоновый ионный лазеры, излучают на многих длинах волн и широко применяются в оптических исследованиях и методиках, таких, например, как конфокальная микроскопия. Аргоновые лазеры обычно относят к классу IIIB и классу IV по стандартам безопасности ANSI, поэтому необходимо избегать прямого облучения лазерным пучком. Сине-зеленые лучи высококогерентного пучка аргонового ионного лазера могут достигать сетчатки, вызывая непоправимые повреждения. Необходимо использовать защитные очки с сильным поглощением на основных длинах волн. Криптоновые ионные лазеры излучают на длинах волн несколько больших, чем аргоновые лазеры, и их излучение обычно меньшей мощности, частично потому, что они излучают на многих длинах волн видимого спектра, которые широко распределены всему спектру. Широкое распределение излучаемых волн по спектру представляет проблему при создании защитных очков, поскольку, задерживая свет всего излучаемого диапазона, они поглощают почти весь видимый свет, что сделает их практически непригодными для использования. Поэтому при работе с криптоновыми ионными лазерами нужна особая осторожность во избежание попадания их мультичастотного излучения в глаза. Аргоново-криптоновые лазеры стали популярны во флуоресцентной микроскопии, при наблюдении образцов с несколькими флуорофорами, когда требуется стабильное излучение на нескольких длинах волн; попадание на сетчатку любого излучения из этого диапазона должно быть исключено. К тому же, эти газоразрядные лазеры излучают ультрафиолет, который хорошо поглощается хрусталиком; а поскольку воздействие непрерывного излучения в этом диапазоне изучено слабо, необходимо носить защитные очки, поглощающие ультрафиолет. Криптоновый ионный лазер излучает на нескольких длинах волн в ближнем инфракрасном диапазоне, и его излучение практически невидимо, что может представлять серьезную опасность для сетчатки, несмотря на видимую малую мощность светового пучка. Высокое напряжение, необходимое для запуска лазерного разряда, и относительно сильные токи, для генерации излучения в непрерывном режиме представляют опасность поражения электрическим током.

Гелий-неоновые лазеры широко применяются в таких устройствах, как сканеры для супермаркетов и оборудование съемки и контроля. Имея мощность в несколько милливатт или меньше, они представляют собой источник такой же опасности поражения, как и прямой солнечный свет. При случайном взгляде на маломощный луч He-Ne лазера, он не окажет вредного воздействия на глаз; но высококогерентное излучение этого лазера фокусируется на сетчатке в очень маленькое пятно, и поэтому при длительном облучении, может причинить непоправимый вред. Основной эмиссионной линией He-Ne лазера является длина волны 632 нанометров, но возможны и другие длины волн от зеленой до инфракрасной. Более мощные версии гелий-неонового лазера представляют большую опасность поражения и должны использоваться с большой осторожностью. Невозможно заранее предсказать, какой именно уровень излучения вызовет те или иные повреждения глаз. Основное правило безопасности при работе с лазерами этой категории — следует избегать любого попадания луча в глаза, кроме мгновенного взгляда на луч, а также соблюдать правила электробезопасности при работе с источниками питания под высоким напряжением.

Другим газоразрядным лазером является гелий-кадмиевый лазер, широко использующийся в сканирующих конфокальных микроскопах, и излучает на фиолетово-синей и ультрафиолетовой длинах волн со значениями 442 нанометров и 325 нанометров, соответственно. От излучения синей области больше всего страдает сетчатка, чувствительность которой в этом диапазоне даже при низких уровнях облученности выше, чем к более длинноволновому излучению видимой области. Поэтому даже при низкой мощности излучения He-Cd лазера необходимо строго выполнять процедуры по соблюдению мер безопасности. Только малая часть ультрафиолета с длиной волны 325 нанометров может попасть на сетчатку из-за его сильного поглощения хрусталиком, но длительное облучение хрусталика этим светом может привести к развитию катаракты. Соответствующие защитные очки помогают избежать повреждения. Последняя версия He-Cd лазера представляет в этом смысле более трудную задачу, поскольку этот лазер одновременно излучает красный, зеленый и синий свет. Любая попытка одновременной фильтрации всех трех длин волн приводит к блокировке такой большой части видимого спектра, что пользователь уже не может выполнять необходимые задания, работая в защитных очках. Если отфильтрованы только две линии эмиссии, остается риск облучения третьей, поэтому требуется строгое соблюдение мер безопасности, для предупреждения облучения.

Азотные лазеры излучают на длине волны 337,1 нанометров УФ области спектра и используются в качестве импульсных источников во множестве приложений в микроскопии и спектроскопии. Их часто применяют в определенных методиках регистрации изображений и визуализации для накачки молекул красителей, для возбуждения излучения на дополнительных линиях с большей длиной волны Азотные лазеры способны генерировать излучение высокой мощности с чрезвычайно высокой частотой следования импульсов. При попадании излучения в глаз может быть поражена роговица, и, хотя поглощение на хрусталике в некоторой степени защищает сетчатку от ближнего ультрафиолета, нельзя сказать определенно, справедливо ли это для высокомощного импульсного излучения. Самым безопасным подходом при работе с лазерами этого типа является полная защита глаз. К тому же, для их работы требуется высокое напряжение, поэтому контакт с любыми компонентами системы питания может осуществляться только при полном отсутствии заряда.

Наиболее распространенные твердотельные лазеры основаны на введении ионизированного неодима в качестве примесей в уровни основного кристалла (легирование). Материалом для основного кристалла для неодима чаще всего служит алюмоиттриевый гранат, АИГ (YAG), синтетический кристалл, являющийся основой Nd:YAG лазера. Лазеры с неодимом представлены в огромном количестве модификаций, с различными значениями мощности излучения, как в непрерывном, так и в импульсном режиме. Их накачка может осуществляться полупроводниковым лазером, импульсной лампой, дуговой лампой, а их характеристики могут варьироваться очень значительно в зависимости от конструкции и области назначения. В силу их широко распространенности и определенной степени опасности, которую они в себе несут, от неодимовых лазеров пострадало, возможно, больше всего людей, чем от лазеров других категорий.

Алюмоиттриевые лазеры с неодимом (Nd:YAG) генерируют излучение ближней ИК области на длине волны 1064 нанометров, которое может вызвать серьезное повреждение сетчатки глаза, поскольку оно невидимо и велика вероятность поражения отраженными лучами. Большинство из этих лазеров, используемых в микроскопии, имеют диодную накачку и излучают короткие импульсы высокой интенсивности, опасные даже при попадании в глаза единственного отраженного импульса. Следовательно, любые направления возможного попадания света в глаза должны быть блокированы. В этом случае подходящим вариантом могут быть защитные очки, поглощающие инфракрасный, но пропускающие видимый свет, за исключением приложений, где используются гармоники более высокого порядка. Удвоение частоты производит вторую гармонику на 532 нанометрах (видимый зеленый свет), которая также проходит до сетчатки, и если эта эмиссионная линия используется, необходима дополнительная фильтрация для ослабления зеленого света. Утроение и учетверение частоты обычно применяется в Nd:YAG лазерах для получения третьей и четвертой гармоник на 355 и 266 нанометрах, что представляет различную опасность поражения. В этих случаях следует использовать защитные очки для фильтрации ультрафиолета, и, возможно, средства защиты кожи для предотвращения ожогов. Лазеры, генерирующие инфракрасное излучение мощностью несколько ватт, на второй, третьей и четвертой гармониках выдают сотни милливатт.

Таблица 2. Длины волн излучения наиболее распространенных лазеров

Тип лазера (область спектра)	Длина волны (нанометры)
Эксимерный, аргон-фтор (УФ)	193
Эксимерный, криптон-хлор (УФ)	22
Эксимерный, криптон-фтор (УФ)	248
Эксимерный, ксенон-хлор (УФ)	308
Эксимерный, ксенон- фтор (УФ)	351
Гелий-кадмиевый (УФ, видимый)	325, 442
Азотный (УФ)	337
Криптоновый (видимый)	476, 528, 568, 647
Аргоновый (видимый)	488, 514
На парах меди (видимый)	510, 578
Nd:YAG, вторая гармоника (видимый)	532
Гелий-неоновый (видимый, ближний ИК)	543, 594, 612, 633, 1150, 3390
На парах золота (видимый)	628
На красителе родамине 6G (видимый, перенастраиваемый)	570-650
Рубиновый (видимый)	694
Полупроводниковый диодный (видимый, ближний ИК)	630-1600
Титан-сапфировый (видимый – ближний ИК)	680-1130
Nd:YAG (ближний ИК)	1064
Эрбиевый (ближний ИК)	1540
Фтористый водород (ближний ИК)	2600-3000
СО2 (дальний ИК)	9600, 10600

Хотя излучение некоторых неодимовых лазеров с диодной накачкой имеет относительно невысокую мощность (особенно на гармониках высокого порядка и в непрерывном режиме генерации), в большинстве случаев, мощности их излучения достаточна для поражения, поэтому защита глаз необходима при работе с любым лазером этого типа. Трудность при работе с любым многочастотным лазером, состоит в том, что защитные очки должны перекрывать все опасные эмиссионные линии. При работе с гармониками высокого порядка мы не можем утверждать, что более длинноволновое излучение на основной частоте отсутствует, поэтому у многих коммерческих лазеров есть механизмы для удаления нежелательного излучения оптическим способом. У лазеров с неодимовым легированием, использующих для накачки лампу, вместо диода, существует дополнительная опасность поражения электрическим током из-за высокого напряжения в источниках питания.

Значительное число исследований проводится в поисках альтернативного основного кристалла для присадки в него неодима. По мере их появления в промышленных лазерах, отдельное внимание должно быть уделено безопасной работе с ними. Внедрение устройств, обеспечивающих безопасную работу с новыми лазерами, не всегда поспевает за появлением новых моделей лазеров. На сегодня наиболее распространенной альтернативой алюмоиттриевому гранату является литиево-иттриевый фторид (обозначаемый как YLF), и как импульсные, так и непрерывные Nd:YLF лазеры уже выпускаются серийно. Будучи во многих отношениях похожими на неодимовые:YAG лазеры, лазеры на Nd:YLF немного отличаются по длине основной волны (1047 нанометров), и это должно приниматься во внимание при создании защитных фильтров, как, например, в защитных очках, учитывая их поглощение света на основной гармонике и на гармониках более высокого порядка.

Полупроводниковые диодные лазеры представляют относительно новую технологию, распространяющуюся сейчас быстрыми темпами в разнообразных вариантах. Рабочие характеристики диодных лазеров зависят от множества факторов, включая электрические свойства полупроводника, технологию выращивания, использованную при его производстве и применяемые легирующие примеси. Длина волны излучения, испускаемого лазерной средой, зависит от ширины запрещенной (энергетической) зоны и других характеристик, определяемых структурой полупроводника. Продолжающееся развитие обещает расширение волнового диапазона промышленных диодных лазеров. Сегодня, полупроводниковые диодные лазеры с длинами волн больше 1100 нанометров используются, в основном, в волоконной оптике. Большинство лазеров этой категории основаны на активных слоях смеси индий-галлий-мышьяк-фосфор (InGaAsP) в различных пропорциях. В основном, они излучают на длине волны либо на 1300, либо на 1550 нанометров. Небольшой процент излучения на 1300 нанометров достигает сетчатки глаза, в то время как излучение длин волн, больших 1400 нанометров, представляет наибольшую опасность для роговицы. Серьезные повреждения глаза маловероятны, за исключением излучения достаточно большой мощности. Большинство диодных лазеров, излучающих на 1300 нанометров, маломощны и не представляют серьезной угрозы для глаз, если лазерный пучок не направлен прямо в глаза в течение длительного времени. Неколлимированные пучки излучения диодного лазера и пучки света, выходящие из оптоволокна, имеют большой угол расходимости, что обеспечивает дополнительную степень безопасности. Защитные очки должны использоваться при излучении высокой мощности, если не все излучение полностью направлено или содержится в оптоволокне. При юстировке оптических приборов с излучением в ближней ИК-области, кроме надетых защитных очков, задерживающих инфракрасный свет, можно использовать флуоресцентные экраны или другие тепловизионные устройства (ИК). Диодные лазеры работают на низком напряжении и при слабом токе, поэтому, обычно, не представляют электрической опасности.

Диодные лазеры, излучающие на номинальных длинах волн менее 1100 нанометров, основаны, главным образом, на смесях галлия и мышьяка, но постоянные разработки новых материалов и технологий расширяют диапазон их излучения до более и более коротких волн. С некоторыми исключениями, при работе с диодными лазерами требуются те же меры безопасности, что и с остальными, излучающими в том же диапазоне и на той же мощности. Как говорилось выше, фактором, понижающим, в некоторых случаях, потенциальную опасность диодных лазеров, является высокая расходимость их пучков, благодаря которой энергия пучка рассеивается во многих направления на коротком расстоянии от излучательной поверхности полупроводника. Тем не менее, если в приложении необходимо использовать дополнительную фокусирующую оптику, или какой-либо метод коллимации, этот фактор сводится на нет. Диодные лазеры, работающие на смеси индий-галлий-мышьяк-фосфор (InGaAlP), излучают на 635 нанометрах при милливаттной мощности, поэтому требования безопасности, предъявляемые при работе с ними, аналогичны предъявляемым к гелий-неоновым лазерам той же мощности. Некоторые варианты лазеров на аналогичных диодных смесях, излучают на 660 или 670 нанометрах, и хотя естественная реакция глаза обеспечивает некоторую защиту, глаз не так чувствителен к этим длинам волн, как к излучению на 635 нанометрах, а поэтому рекомендуется использование защитных очков. Необходимо обеспечить фильтрацию именно этих длин волн, так как защитные очки, изготовленные для поглощения больших длин волн, могут быть неэффективными на 660 и 670 нанометрах.

Различные смеси галлия, алюминия, мышьяка (GaAlAs) используются для изготовления диодных лазеров, излучающих в диапазоне от 750 до почти 900 нанометров. Из-за ограниченной чувствительности глаза к излучению на 750 нанометрах (возможно слабое восприятие красного света) и полного отсутствия чувствительности к более длинным волнам, эти лазеры представляют для глаз большую опасность поражения, чем работающие в видимом диапазоне. Диодные лазеры, работающие в этом диапазоне, могут генерировать излучение, значительно более высокой мощности (до нескольких ватт в диодной матрице), что может повредить глаз даже при коротком облучении. Невидимость этого пучка исключает естественную защитную реакцию глаза, поэтому необходимо носить защитные очки, особенно при работе с лазерами большой мощности. Лазеры на смеси индия-галлия-мышьяка (InGaAs) излучают даже на больших длинах волн, поэтому необходимы защитные очки, поглощающие 980-нанометровую линию, опять же для исключения возможности случайного попадания в глаза невидимого излучения.

В итоге, основными опасностями при работе с лазерами являются возможность повреждения глаз и поражения кожи при контакте с лазерным лучом, а также опасность электрического удара из-за высоких напряжений в лазерах. Следует принимать все меры предосторожности во избежание контакта (особенно глаз) с лазерным лучом, а когда это невозможно, необходимо носить защитные очки. При выборе защитных очков или других фильтров существенны четыре фактора: длина волны лазера, характер излучения (импульсный или непрерывный), тип лазерной среды (газ, полупроводник и т. д.) и выходная мощность лазера.

Существуют еще дополнительные, не связанные с излучением, опасности, некоторые из которых относятся к самой микроскопии, а другие встречаются довольно редко. Во многих промышленных приложениях лазеры используются для резки и сварки. Высокие температуры, возникающие при выполнении таких операций, могут способствовать появлению различных вредных дымов и испарений, которые обязательно должны удаляться из рабочих помещений. Это не имеет отношения к лазерам, используемым в оптической микроскопии, однако следует учитывать и соблюдать общие правила техники безопасности. В системах, накачиваемых импульсными лампами, существует опасность взрыва лампы при нагнетании в ней высокого давления. Корпус прибора должен быть сконструирован таким образом, чтобы удержать все осколки лампы, в случае такого взрыва. Для охлаждения лазеров (рубинового или с неодимовым легированием, например) могут использоваться криогенные газы, такие как жидкий азот или гелий. При попадании этих газов на кожу возможны ожоги. Если значительное количество газов выпускается в закрытом помещении, они, замещая собой находящийся в помещении воздух, могут вызвать недостаток кислорода. Электрическая безопасность, связанная с лазерным оборудованием, уже обсуждалась выше, но ее нельзя переоценить, так как корпуса приборов, предназначенные для защиты от поражения электрическим током, обычно снимаются при установке лазера, юстировке и техническом обслуживании. Некоторые лазерные системы (класса IV или 4, особенно) потенциально пожароопасны.

Лазеры среднего ИК диапазона спектра: применения

ОКТ202020

Средний инфракрасный (средний ИК) диапазон спектра все еще незнаком для большинства пользователей лазеров, поскольку в этом диапазоне длин волн коммерчески доступно лишь несколько лазеров. Недавно были разработаны новые компактные и универсальные лазеры среднего инфракрасного диапазона, которые открыли новые возможности для инновационных приложений в промышленности, науке, здравоохранении и окружающей среде.

Что такое средний ИК?

Согласно стандарту ISO (ISO: 20473:2007) [1], средний инфракрасный диапазон – это часть электромагнитного спектра, охватывающая длины волн от 3 до 50 мкм. Эта спектральная область часто разделяется на две подобласти: средневолновую инфракрасную область (MWIR), простирающуюся от 3 до 8 мкм, и длинноволновую инфракрасную область (LWIR), простирающуюся от 8 до 15 мкм.

Почему лазеры среднего ИК?

В настоящее время лазеры широко используются для обработки материалов, хирургических процедур, телекоммуникаций, спектроскопии, оборонных приложений и фундаментальных наук. Лазеры среднего ИК диапазона становятся все более привлекательными для исследований и промышленности, поскольку они предлагают беспрецедентные преимущества во всех этих областях применения. И вот почему:

Излучение среднего ИК диапазона может избирательно поглощаться материалами или молекулами

В среднем ИК диапазоне обнаруживаются фундаментальные колебательные резонансы большинства жидкостей, газов и неметаллов, таких как пластмассы, стекла или биологические ткани. Рис. 1 показывает, что сильные полосы поглощения воды, метана, CO₂ и полимеров в основном расположены в средней инфракрасной области. Когда длина волны излучения лазера среднего ИК диапазона перекрывается с этими резонансами, свет избирательно поглощается этими материалами или молекулами. Лучшее поглощение означает лучший контроль, точность, эффективность и скорость для хирургических операций и обработки материалов или лучшую селективность и отношение сигнал/шум для спектроскопии и микроскопии.

Таким образом, лазеры с фиксированной или перестраиваемой длиной волны в среднем инфракрасном диапазоне находят серьезное применение в инфракрасной спектроскопии [2], включая мониторинг газов в окружающей среде [3] и анализ дыхания [4], а также в микроскопии [5], минимально инвазивной лазерной хирургии [6] и лазерной обработке неметаллов (резка, сверление, обработка поверхности и т.д.). По сравнению с УФ поглощением, избирательная абляция в среднем ИК диапазоне может играть важную роль при лазерной обработке многослойных устройств в электронной, фотонной или медицинской промышленности, где важно обрабатывать определенный слой, не затрагивая другие соседние слои.

Рис. 1. Полосы поглощения важных молекул и материалов.

Излучение среднего ИК диапазона может передаваться на большие расстояния в атмосфере

Средний ИК диапазон также содержит два основных окна прозрачности атмосферы (области 3 – 5 мкм и 8 – 12 мкм), где наблюдается очень низкое поглощение основными составляющими атмосферы, как показано на рис. 2. В этих спектральных лазерное излучение окнах может распространяться на большие расстояния, что позволяет использовать их в обороне (например, ракетное противодействие [7]) и в связи на больших открытых расстояниях [8].

Рис. 2. Пропускание атмосферы выше в средней ИК области спектра. Изображение взято из [9].

Лазеры среднего ИК диапазона являются идеальными научными инструментами

Лазеры среднего ИК диапазона также являются идеальным лабораторным инструментом для научных приложений, включая нелинейную оптику, кремниевую фотонику, квантовую оптику [10], физику полей высокой напряженности [11], частотные гребенки [12] и генерацию суперконтинуума [13]. Эти передовые приложения, безусловно, приведут к новым захватывающим открытиям в области лазеров, которые будут переведены на реальные применения.

Фотонные интегральные схемы в среднем ИК

 Фотонные интегральные схемы (PIC) считаются одной из самых многообещающих фотонных технологий 21 века. И волоконные лазеры среднего инфракрасного диапазона могут сыграть значительную роль в развитии этих технологий.

Появление интегрированной фотоники

 Полупроводниковые материалы, такие как кремний и германий, являются одними из наиболее широко используемых материалов в электронной промышленности. Недавно были предприняты усилия по адаптации литейных предприятий КМОП для разработки интегрированных фотонных устройств, что в настоящее время является одной из основных тенденций в фотонной индустрии. Благодаря использованию фотонов вместо электронов фотонные интегральные схемы (PIC) на основе кремния, германия или других полупроводниковых материалов позволяют разрабатывать сверхкомпактные недорогие приемопередатчики, переключатели и датчики с более высокими возможностями, чем их электронные аналоги. Эти устройства, вероятно, сыграют важную роль в наступающей эре «Интернета вещей» (IoT).

Рис. 3. Фотонная интегральная схема. Фото предоставлено с позволения Wei Shi, университет Лаваля [14].

Уже сейчас можно с уверенностью сказать, что средняя ИК область спектра предоставляет значительные возможности для роста фотонных интегральных схем, особенно для сенсорных и нелинейных приложений.

Сенсорные приложения

Средний ИК диапазон охватывает наиболее важные спектральные характеристики молекул, что делает эту полосу идеальной для молекулярного зондирования. Таким образом, PIC можно оптимизировать для разработки компактных датчиков, встроенных в ту же микросхему, для мониторинга окружающей среды, управления производственными процессами или даже медицинской диагностики.

Рис. 4. Спектральные характеристики важных газовых примесей. Адаптированное изображение из [15].

Нелинейная оптика

Кремний и германий – сильные нелинейные материалы, которые в основном прозрачны в среднем ИК диапазоне. Более того, волноводная природа фотонных интегральных схем приводит к сильному ограничению света, распространяющегося внутри устройства. Новые нелинейные эффекты, такие как четырехволновое смешение, стимулированное рамановское рассеяние и рассеяние Бриллюэна, могут быть значительно усилены за счет бесконечной гибкости конструкции PIC в среднем ИК диапазоне. Например, компактный суперконтинуум и оптические частотные гребенки уже были продемонстрированы с помощью нелинейных PIC [16, 17]. К сожалению, эти нелинейные эффекты ослабляются поглощением и дисперсией свободных носителей в результате двухфотонного поглощения (TPA) в волноводе, когда в эксперименте используются лазеры ближнего инфракрасного диапазона (длина волны <2.2 мкм). Таким образом, эту серьезную проблему можно было бы обойти, используя лазеры среднего ИК диапазона, излучающие на длине волны более 2.5 мкм.

Рис. 5. Компактный нелинейный микрорезонатор в масштабе микросхемы. Адаптированное изображение из [18].

Волоконные лазеры среднего ИК диапазона для приложений “лаборатория на кристалле”

До сих пор демонстрации фотонных интегральных схем в среднем инфракрасном диапазоне ограничены из-за отсутствия простых, компактных и мощных лазеров в среднем инфракрасном диапазоне.

В Femtum мы решаем эту ограничивающую проблему, предлагая первые волоконные лазеры и усилители в среднем инфракрасном диапазоне. Наши лазеры и усилители генерируют мощное, электронно перестраиваемое излучение в диапазоне от 2.8 до 3.6 мкм и обеспечивают гибкость и простоту, которые позволяют исследователям сосредоточиться на своих приложениях «лаборатория на кристалле» в среднем ИК диапазоне. Благодаря доставке излучения по волокну и почти идеальному качеству выходного пучка лазеры серии Femtum могут быть эффективно связаны с фотонными интегральными схемами. Усилители среднего ИК диапазона серии Femtum также можно использовать в паре с существующими полупроводниковыми или межзонными каскадными лазерами, чтобы повысить оптическую мощность и сделать установку еще более надежной и компактной.

Рис. 6. Относительное пропускание объема кремния (красный) и германия (синий). Спектральная область, где в кремнии преобладает двухфотонное поглощение (TPA), также выделена красным. Таким образом, область излучения лазеров серии Femtum (выделена зеленым) является идеальной полосой для интегрированной фотоники среднего ИК диапазона.

Ссылки

1. 20473:2007, Optics and Photonics – Spectral bands
2. J. Haas and B. Mizaikoff, “Advances in mid-infrared spectroscopy for chemical analysis”. Annual Review of Analytical Chemistry, 2016, vol. 9, p. 45-68.
3. F.K. Tittel, “Mid-infrared Laser Based Gas Sensor Technologies for Environmental Monitoring, Medical Diagnostics, Industrial and Security Applications”, In Terahertz and Mid Infrared Radiation: Detection of Explosives and CBRN (Using Terahertz), 2014.
4. B. Henderson et al., “Laser spectroscopy for breath analysis: towards clinical implementation”, Applied physics B, 2018, vol. 124, p. 1-21.
5. M. A. Pleitez et al., “Label-free metabolic imaging by mid-infrared optoacoustic microscopy in livings cells”, Nature biotechnology, 2019, vol. 38, p. 293-296.
6. S. Amini-Nik et al., “Ultrafast Mid-IR laser scalpel: Protein signals of the fundamental limits to minimally invasive surgery, PLOS ONE, 2010, vol. 5, p. e13053.
7. J. Hecht, “Photonic Frontiers: Laser countermeasures: scaling down mid-IR laser countermeasures for smaller aircraft”, Laser focus world, 2014.
8. N. S. Prasad, “Optical communications in the mid-wave IR spectral band”. In: Free-space laser communications. Optical and fiber communications reports, 2005, vol 2, p. 347-391.
9. Infrared windows
10. L. M. Rosenfeld, “Mid-infrared quantum optics in silicon”, arXiv:1906.10158, 2019.
11. T. Popmintchev et al., “Bright coherent ultrahigh harmonics in the keV X-ray regime from mid-infrared femtosecond lasers”, Science, 2012, vol. 336, p. 1287-1291.
12. A. Schliesser et al., “Mid-infrared frequency combs”, Nature Photonics, 2012, vol. 6, p. 440-449.
13. L.R. Robichaud et al., “High-power supercontinuum generation in the mid-infrared pumped by a soliton self-frequency shifted source”, Optics Express, 2020, vol. 28, p. 107-115.
14. https://www.photon.ulaval.ca
15. M. Vainio and L. Halonen, “Mid-infrared optical parametric oscillators and frequency combs for molecular spectroscopy”. Phys. Chem. Chem. Phy. 18 (2016), p. 4266-4294.
16. N. Nader et al., “Infrared frequency comb generation and spectroscopy with suspended silicon nanophotonic waveguides”, Optica 6 (2019), p. 1269-1276.
17. N. Nader et al., “Infrared frequency comb generation and spectroscopy with suspended silicon nanophotonic waveguides”, Optica 6 (2019), p. 1269-1276.
18. T. J. Kippenberg et al., “Dissipative Kerr solitons in optical microresonnators”, Science 361 (2018), p. 1-11.

ЗАКАЛЕННЫЕ ГЕЙЗЕРОМ. БАКТЕРИЯМ С КАМЧАТКИ НЕ СТРАШНО ДАЖЕ ТЕРАГЕРЦОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

«Где есть жизнь, там есть и микробы», – писал американский микробиолог Карл Ричард Вёзе, создатель молекулярной филогенетики и первооткрыватель архей (одноклеточные микроорганизмы, не имеющие ядра). Микроорганизмы обитают во всех средах, в любой точке мира. И одним из мест их обитания, причем красивейшим, служит камчатская Долина гейзеров. Гейзеры – явление настолько же красивое, насколько и редкое. Помимо Камчатки крупные гейзеры есть только в Исландии, Иеллоустонском парке США и Новой Зеландии, небольшие – в Калифорнии, Японии и на Тибете.

Бактерии, живущие в гейзерах Камчатки, относятся к древним термофильным микроорганизмам и способны выживать при температурах в 60-80 °С. Поэтому именно они являются практически идеальным объектом для изучения воздействия на живые организмы электромагнитных волн терагерцового диапазона.

Ученые Федерального исследовательского центра «Институт цитологии и генетики СО РАН» (ИЦиГ СО РАН) и Института ядерной физики СО РАН (ИЯФ СО РАН) провели серию экспериментов по облучению термофильных микроорганизмов мощным терагерцовым излучением. Эксперименты проводились на уникальной научной установке – лазере на свободных электронах (ЛСЭ). В отличие от обычных лазеров ЛСЭ могут генерировать электромагнитное излучение в диапазоне длин волн от 0,1 нм (рентгеновское излучение) до 1 мм, что открывает широкие возможности для их применения в химии, биологии, физике твердого тела. Лазер на свободных электронах представляет собой сложный источник излучения, начинающийся с так называемой «электронной пушки» (упрощенный аналог такой пушки – электронно-лучевая трубка телевизоров прежних поколений). Генерируемые там электроны после ускорения до нужной энергии проходят сквозь ряд расположенных специальным образом магнитов – ондулятор, заставляющий электроны двигаться по синусоидальной траектории, где происходит преобразование части энергии электронного потока в свет.

Лазер терагерцового диапазона – один из трех ЛСЭ, входящих в состав установки, построенной в ИЯФ СО РАН. Этот ЛСЭ, запущенный в 2003 году, использует электроны с энергией 12 МэВ и дает излучение с длиной волны, плавно перестраиваемой в диапазоне от 90 до 340 микрон, и средней мощностью до 0,5 кВт, что является мировым рекордом средней мощности монохроматического излучения в таком диапазоне.

Второй лазер, запущенный в 2009 году, использует электронные пучки с энергией 22 МэВ, а его излучение находится уже в инфракрасном диапазоне (длины волн – от 35 до 80 микрон). Третий лазер, запущенный в 2015 году, работает на энергии 42 МэВ в диапазоне от 5 до 15 мкм. Излучение всех лазеров выводится в один оптический канал – это дает возможность использовать его на одних и тех же станциях, однако наибольшей популярностью в настоящее время пользуется именно терагерцовый лазер. Каждый из трех лазеров позволяет менять длину волны и мощность излучения в зависимости от предпочтений пользователей – химиков, физиков и биологов.

Для проведения биологических исследований c использованием терагерцового излучения ЛСЭ в Сибирском центре синхротронного и терагерцового излучения (ЦКП СЦСТИ) оборудована специальная экспериментальная станция, которая позволяет проводить безопасные работы с живыми объектами. С помощью специального оборудования регулируются и контролируются интенсивность и равномерность облучения биологических образцов, а также их температура – с точностью до нескольких сотых градуса, что обеспечивает повторяемость экспериментов с живыми объектами.

Надо сказать, сотрудники ИЦиГ СО РАН давно используют преимущества экспериментальной станции. Сначала объектом исследований стала любимица генных инженеров Escherichia coli (попросту – кишечная палочка), которой шутники-микробиологи предлагают поставить памятник в натуральную величину. Первые эксперименты показали, что кроме ожидаемых температурных эффектов под воздействием терагерцового излучения живые объекты дают еще и специфические ответы различных генетических систем.

– На этапе работ с E.coli мы составили подробные карты экспрессии (активности) генов в ответ на однократное воздействие ТГц-излучением, – рассказывает заместитель директора ИЦиГ СО РАН, кандидат биологических наук Сергей Пельтек. – Затем мы выдвинули гипотезу о том, что в разных организмах, геномы и свойства которых довольно сильно отличаются друг от друга, регистрируется изменение экспрессии похожих белков. В процессе в первую очередь задействованы энергетические компоненты, которые отвечают за транспортировку протонов и электронов в клетках.
Чтобы подробнее изучить ответы генетических систем на излучение, требовался объект, более устойчивый к воздействию высоких температур, чем кишечная палочка. Биологи выбрали новый термофильный микроорганизм, способный вести жизнедеятельность при температурах 50-80 °С. Специалисты выделили его из образцов микробных сообществ, отобранных во время экспедиционных работ в зонах геотермальной активности Камчатки и Прибайкалья. Новый штамм был назван Geobacillus icigianus – в честь ИЦиГ СО РАН.

Облучив новый штамм и сравнив полученные результаты, специалисты пришли к выводу, что, несмотря на существенные различия в геноме и в строении клеток, в обоих случаях терагерцовое излучение запускает похожие процессы. При этом степень влияния на термофильные организмы в целом оказывается ниже – прежде всего за счет их термоустойчивости. По словам С.Пельтека, специфический стрессовый ответ на влияние излучения у микроорганизмов может быть разным. Кишечная палочка, например, формирует защитные пленки. Geobacillus icigianus более устойчив к воздействию внешних факторов и имеет другую клеточную структуру, так что его реакция отличается. Но в обоих случаях в ответе микроорганизмов наверняка будут задействованы энергетические системы клеток. Цель дальнейших исследований – более детальное изучение и сравнение различных клеточных реакций. Это необходимо, чтобы лучше понять механизм воздействия электромагнитных волн терагерцового диапазона на живые организмы.

 

Источник: https://www.poisknews.ru/themes/genetics/zakalennye-gejzerom-bakteriyam-s-kamchatki-ne-strashno-dazhe-teragerczovoe-izluchenie/

 

Рентгеновские лазеры прорвались в аттосекундный диапазон

Сотрудники НИИЯФ МГУ в составе международного коллектива учёных предложили и реализовали способ генерации аттосекундных импульсов лазером на свободных электронах и их диагностики. Статья опубликована в журнале Nature. Результаты работы могут быть использованы на строящихся рентгеновских лазерах на свободных электронах с временной когерентностью, и открывают новые возможности для исследований в области структурной биологии, драг-дизайна и медицины.

Для изучения динамики процесса во времени требуется инструмент, способный реагировать примерно на порядок скорее, чем собственно происходит процесс. Чем меньше длительность электромагнитных импульсов, тем более быстрые процессы можно с их помощью изучать и управлять ими. Аттосекундный масштаб характерен для движения электронов в атомах. Так за одну аттосекунду свет проходит расстояние, соответствующее типичному размеру атома. Беспрецедентно интенсивные импульсы в широком диапазоне электромагнитных волн генерируются рентгеновскими лазерами на свободных электронах, но их длительность до сих пор превышала 10 фемтосекунд (в одной фемтосекунде 1000 аттосекунд). «Генерация более коротких импульсов с заданными свойствами лазерами на свободных электронах – актуальнейшая задача. Она тесно связана с задачей диагностики формы и длительности таких импульсов», – рассказал один из авторов работы, доктор физико-математических наук Алексей Грум-Гржимайло.

В работе с участием теоретиков НИИЯФ МГУ предложен и реализован способ генерации аттосекундных импульсов лазером на свободных электронах и их диагностики. Сотрудники НИИЯФ МГУ Алексей Грум-Гржимайло и Елена Грызлова внесли определяющий вклад в  теоретическое обоснование метода, экспериментально реализованного  международным коллективом из нескольких стран на пока единственном в мире рентгеновском лазере на свободных электронах FERMI (Триест, Италия), обладающем временной когерентностью.

Принцип генерации аттосекундных импульсов можно пояснить на примере звуковых сигналов. Если наложить друг на друга звуки от двух гитарных струн, то можно услышать биения громкости. Можно так подобрать колебания нескольких струн и относительные фазы этих колебаний, что биения будут иметь вид коротких всплесков громкости с длительным периодом почти тишины между ними.

Но для реализации такого сценария нужно настроить струны так, чтобы частоты их колебаний относились друг к другу, как целые числа. Роль струн в лазере на свободных электронах играют ондуляторы, в которых электронные импульсы из линейного ускорителя, проходящие через магнитное поле, производят фемтосекундные импульсы излучения. Несколько ондуляторов генерируют соседние гармоники основной частоты, например, 9-ю, 10-ю и 11-ю гармоники. Фазы гармоник регулируются задержками электронных импульсов во времени. Диагностика и настройка формы получающейся цепочки электромагнитных импульсов длительностью в несколько сотен аттосекунд – еще более тонкая проблема. Тут ключевым выступает тот факт, что сама основная частота является третьей гармоникой оптического лазера, часть света которого подается в выходной пучок. Вся совокупность когерентных полей: гармоники от ондуляторов и лазерный свет направляется на мишень; в конкретном случае – это газ из атомов неона. Вылетающие из атома под действием излучения электроны группируются по энергии в изолированные пики. В относительных интенсивностях этих пиков и закодирована информация о характеристиках генерируемых аттосекундных импульсов.

Результаты работы впервые открывают доступ к программируемым аттосекундным сигналам высокой интенсивности и новые пути для изучения сверхбыстрых нелинейных электронных процессов и управления ими. Например, в твердых образцах аттосекундные волны, переводя электроны из внутренней зоны в зону проводимости, дадут возможность исследовать эффекты диффузии и релаксации с аттосекундным разрешением и с формированными во времени электронными волновыми пакетами.

«Метод может быть внедрен и развит на других строящихся рентгеновских лазерах на свободных электронах с временной когерентностью (говоря “гитарным” языком, если аккорд на их струнах долго звучит без искажений)» – рассказал ведущий научный сотрудник НИИЯФ МГУ Алексей Грум-Гржимайло.

В этом эксперименте полностью используются уникальные характеристики лазера на свободных электронах FERMI. Результаты указывают не только на то,  что ЛСЭ могут генерировать аттосекундные импульсы, но благодаря подходу,  реализованному для генерации формы волны, такие импульсы полностью управляемы и достигают высоких пиковых интенсивностей. Эти два аспекта представляют ключевые преимущества подхода. Результаты также повлияют на планирование и разработку новых лазеров на свободных электронах по всему миру.

Результаты стали возможными только благодаря тесному сотрудничеству между группой университета Фрайбурга, командой Elettra, российской командой теоретиков и международной командой теоретиков и экспериментаторов из США, Германии, Италии, Австрии, Словении, Венгрии, Японии и Швеции. 

Пресс-служба МГУ

Основы лазера

Основы лазера [индекс]

---

Лазер Основы
Роберт Олдрич

---

ТАБЛИЦА СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ
ТЕОРИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИЯ ЛАЗЕРА
КОМПОНЕНТЫ ЛАЗЕРА
ТИПЫ ЛАЗЕРОВ
ХАРАКТЕРИСТИКИ МАТЕРИАЛЫ

---

ВВЕДЕНИЕ

Слово «лазер». это аббревиатура от Light Amplification by Stimulated Emission of Радиация.Лазеры находят все больше военных приложения – в основном для целеуказания, управления огнем, и обучение. Эти лазеры называются дальномерами, целями. обозначения и имитаторы стрельбы прямой наводкой. Лазеры также используется в связи, лазерных радарах (LIDAR), системах посадки, лазерные указатели, системы наведения, сканеры, металлообработка, фотография, голография и медицина.

В этом документе слово «лазер» будет ограничено устройства, испускающие электромагнитное излучение, использующие свет усиление за счет вынужденного излучения излучения на длинах волн от 180 нм до 1 миллиметра.Электромагнитный спектр включает энергию от гамма-лучей до электричества. фигура 1 показывает полный электромагнитный спектр и длины волн различные регионы.

Рисунок 1. Электромагнитный спектр

Основные длины волн лазерного излучения для современных военных и коммерческих приложения включают ультрафиолетовое, видимое и инфракрасное области спектра. Ультрафиолетовое излучение для лазеров состоит из длин волн от 180 до 400 нм.Видимый область состоит из излучения с длинами волн от 400 до 700 нм. Это часть, которую мы называем видимым светом. Инфракрасный область спектра состоит из излучения с длинами волн от 700 нм до 1 мм. Лазерное излучение поглощается кожей проникает всего в несколько слоев. В глазу видно и рядом инфракрасное излучение проходит через роговицу и фокусируется на и поглощается сетчаткой. Это длина волны света который определяет видимое ощущение цвета: фиолетовый при 400 нм, красный на 700 нм, а другие цвета видимого спектра в между.Когда излучение поглощается, влияние на поглощающую биологическая ткань бывает фотохимической, термической или механический: в ультрафиолетовой области действие в первую очередь фотохимический; в инфракрасной области действие в первую очередь термический; а в видимой области присутствуют оба эффекта. Когда интенсивность излучения достаточно высока, повреждение к впитывающей ткани.

---

ТЕОРИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИЯ ЛАЗЕРА

Базовое понимание того, как работает лазер, помогает в понимание опасностей при использовании лазерного устройства.фигура 2 показывает, что электромагнитное излучение испускается всякий раз, когда заряженная частица, такая как электрон, отдает энергию. Этот происходит каждый раз, когда электрон падает из более высокого энергетического состояния, в более низкое энергетическое состояние, в атоме или ионе как происходит в люминесцентном свете. Это также происходит из-за изменений в колебательное или вращательное состояние молекул.

Цвет света определяется его частотой или длина волны. Более короткие длины волн – это ультрафиолет и более длинные волны – инфракрасные.Самая маленькая частица энергия света описывается квантовой механикой как фотон. В энергия фотона E определяется его частотой, и постоянная Планка h.

(1)

Скорость света в вакууме c составляет 300 миллионов метров. в секунду. Длина волны света связана с из следующего уравнения:

(2)

Разница уровней энергии, на которой возбужденное Электронные капли определяют длину волны излучаемого света.

Рисунок 2. Излучение атома при переходе электрон из состояния с более высокой энергией в состояние с более низкой энергией

---

КОМПОНЕНТЫ ЛАЗЕРА

Как показано на рисунке 3, три основных компонента лазера являются:

• Материал генерации (кристалл, газ, полупроводник, краситель, и т.д …)
• Источник накачки (добавляет энергию к материалу генерации, например лампа-вспышка, электрический ток вызывает электрон столкновения, излучение лазера и т. д.)
• Оптический резонатор, состоящий из отражателей, выполняющих роль механизм обратной связи для усиления света

Рис. 3. Схема твердотельного лазера

Обычно электроны в атомах материала генерации находятся в установившемся более низком энергетическом уровне. Когда световая энергия от лампа-вспышка добавляется к атомам материала генерации, большинство электронов возбуждены до более высокого энергетического уровня – явление, известное как инверсия населения.Это нестабильный условие для этих электронов. В этом состоянии они останутся короткое время, а затем возвращаются в исходное энергетическое состояние. Этот распад происходит двумя способами: спонтанный распад – электроны просто падают в свое основное состояние при случайном излучении направленные фотоны; и вынужденный распад – фотоны от самопроизвольно распадающиеся электроны сталкиваются с другими возбужденными электронами что заставляет их упасть в основное состояние. Это стимулировало переход высвободит энергию в виде фотонов света которые движутся синфазно на той же длине волны и в том же направление как падающий фотон.Если направление параллельно оптической оси, излучаемые фотоны перемещаются вперед и назад в оптический резонатор через материал генерации между полностью отражающее зеркало и частично отражающее зеркало. Таким образом, световая энергия усиливается до тех пор, пока не станет достаточно энергия накапливается для передачи лазерного излучения через частично отражающее зеркало.

Как показано на рисунке 4, лазерная среда должна иметь по крайней мере один возбужденное (метастабильное) состояние, в котором электроны могут задерживаться на длительное время достаточно (микросекунд в миллисекунды) для инверсии населенности происходить.Хотя лазерное воздействие возможно только с двумя энергиями уровней, большинство лазеров имеют четыре или более уровней.

Рисунок 4. Энергетическая диаграмма трехуровневого лазера

Q-переключатель на оптическом пути – это метод обеспечения лазерного импульсы очень короткой продолжительности. Вращающаяся призма как полный отражатель на рисунке 3 был одним из первых методов обеспечения Модуляция добротности. Только в точке вращения, когда есть четкое оптический путь позволит пройти световой энергии.Обычно непрозрачное электрооптическое устройство (например, ячейка Поккельса) в настоящее время часто используется для устройства Q-переключения. Во время напряжения приложение, устройство становится прозрачным, свет накапливается в резонаторе возбужденные атомы могут тогда достичь зеркала, так что Качество резонатора Q увеличивается до высокого уровня и излучает высокий пиковая мощность лазерного импульса длительностью несколько наносекунд. Когда фазы разных частотных режимов лазера синхронизированы (заблокированы вместе), эти режимы будут мешать друг другу и создать эффект удара.В результате получается лазерный выход с регулярные пульсации, называемые «синхронизацией мод». Режим синхронизированные лазеры обычно производят серию импульсов длительностью от нескольких пикосекунд до наносекунд, что приводит к более высокой пиковой мощности чем тот же лазер, работающий в режиме модуляции добротности. Импульсный лазеры часто предназначены для генерации повторяющихся импульсов. Пульс частота повторения прф, а также ширина импульса крайне важно при оценке биологических эффектов.

---

ВИДЫ ЛАЗЕРОВ

Лазерный диод представляет собой светоизлучающий диод с оптическим резонатор для усиления света, излучаемого из запрещенной зоны, которая существует в полупроводниках, как показано на рисунке 5.Их можно настроить изменяя приложенный ток, температуру или магнитное поле.

Рисунок 5. Схема полупроводникового лазера

Газовые лазеры состоят из газонаполненной трубки, помещенной в лазер. полость, как показано на рисунке 6. Напряжение (внешний источник накачки) применяется к трубке, чтобы возбуждать атомы в газе до инверсия населения. Свет, излучаемый этим типом лазера обычно непрерывная волна (CW). Следует отметить, что если к газоразрядной трубке прикреплены угловые окна заварного механизма, некоторое лазерное излучение может отражаться сбоку от лазера полость.В больших газовых лазерах, известных как газодинамические лазеры, используется камера сгорания и сверхзвуковое сопло для населения инверсия.

Рисунок 6. Схема газового лазера

На рисунке 7 показана схема лазера на красителе. Лазеры на красителях используют активный материал в жидкой суспензии. Ячейка красителя содержит лазерная среда. Многие красители или жидкие суспензии токсичны.

Рис. 7. Схема лазера на общих красителях

Лазеры на свободных электронах, такие как на рисунке 8, обладают способностью генерируют длины волн от микроволнового до рентгеновского диапазона.Они работать, имея электронный луч в проходе оптического резонатора через магнитное поле вигглера. Произошла смена направления магнитным полем электронов заставляет их излучать фотоны.

Рис. 8. Схема лазера на свободных электронах

Геометрия лазерного луча отображает поперечный электромагнитный (ТЕМ) волновые структуры в луче, похожие на микроволны в волне гид. На рисунке 9 показаны некоторые распространенные моды ПЭМ в поперечном сечении лазерный луч.

Рис.9 Общие режимы луча ТЕМ-лазера

Можно рассматривать лазер, работающий в режиме как два лазера, работающих бок о бок.Идеальный режим для большинства лазерные приложения – это режим, и этот режим обычно предполагается, что легко выполнить анализ опасностей, связанных с лазерным излучением. Свет от обычного источника света чрезвычайно широкополосный (содержащий длины волн в электромагнитном спектре). Если нужно было установить фильтр, который позволял бы только очень узкий полоса длин волн перед белым или широкополосным светом источника, только один светлый цвет будет виден на выходе из фильтр. Свет от лазера похож на свет, видимый из фильтр.Однако вместо узкой полосы длин волн нет из которых доминирует, как и в случае с фильтром, есть гораздо более узкая ширина линии около излучаемой доминирующей центральной частоты от лазера. Цвет или длина волны излучаемого света зависит от типа используемого материала для генерации. Например, если используется кристалл неодима: иттриевого алюминиевого граната (Nd: YAG) в качестве материала для генерации будет использоваться свет с длиной волны 1064 нм. быть испущенным. В таблице 1 показаны различные типы материалов. в настоящее время используется для генерации, и длины волн, излучаемые этот тип лазера.Обратите внимание, что некоторые материалы и газы способен излучать более одной длины волны. Длина волны излучаемый свет в этом случае зависит от оптического конфигурация лазера.

Таблица 1. Общие лазеры и их Длины волн

ЛАЗЕРНЫЙ ТИП	ДЛИНА ВОЛНЫ (Нм)
Фторид аргона	193
Хлорид ксенона	308 и 459
Фторид ксенона	353 и 459
Гелий Кадмий	325–442
Родамин 6G	450–650
Пар меди	511 и 578
Аргон	457 – 528 (514.5 и 488 наиболее часто используемые)
Частота удвоена Nd: YAG	532
Гелий Неон	543, 594, 612 и 632,8
Криптон	337,5 – 799,3 (647,1 – 676,4 наиболее часто используемые)
Рубин	694,3
Лазерные диоды	630–950
Ti: Сапфир	690–960
Александрит	720–780
Nd: YAG	1064
Фтористый водород	2600–3000
Эрбий: стекло	1540
Окись углерода	5000–6000
Двуокись углерода	10600

Свет от обычного источника света расходится или распространяется быстро, как показано на рисунке 10.Интенсивность может быть большой в источнике, но он быстро уменьшается по мере удаления наблюдателя из первоисточника.

Рис. 10. Расхождение обычного источника света

Напротив, выход лазера, показанный на рисунке 11, имеет очень малая расходимость и может поддерживать высокую интенсивность луча более большие расстояния. Таким образом, относительно маломощные лазеры могут излучать больше энергии на одной длине волны в узком луче чем можно получить от гораздо более мощного обычного света источники.

Рис. 11. Расходимость лазерного источника

Например, лазер, дающий импульс 100 мДж в 20 нс имеет пиковую мощность 5 миллионов ватт. Лазер CW будет обычно световая энергия выражается в ваттах, а импульсный мощность лазера обычно выражается в джоулях. С энергия не может быть создана или уничтожена, количество энергии имеющееся в вакууме на выходе лазера будет таким же количество энергии, содержащейся в луче в какой-то момент вниз по диапазону (с некоторыми потерями в атмосфере).Рисунок 12. иллюстрирует типичный лазерный луч. Количество доступной энергии в пределах зоны отбора проб будет значительно меньше, чем количество энергии, доступной в луче. Например, 100 мВт выходная мощность лазера может иметь 40 мВт в пределах 1 площадь образца. Энергия излучения в этом примере составляет 40 мВт /.

Рис. 12. Иллюстрация освещенности

---

ХАРАКТЕРИСТИКИ МАТЕРИАЛОВ

Материалы могут отражать, поглощать и / или пропускать световые лучи.Отражение света лучше всего иллюстрирует зеркало. Если свет лучи падают на зеркало, почти вся энергия падает на зеркало будет отражено. На рисунке 13 показано, как пластик или поверхность стекла будет воздействовать на падающий световой луч. Сумма переданная, поглощенная и отраженная энергия будет равна количеству энергии, падающей на поверхность.

Поверхность является зеркальной (зеркальной), если размер поверхности несовершенства и вариации намного меньше длины волны падающего оптического излучения.Когда неровности случайны ориентированы и намного больше длины волны, то поверхность считается диффузной. В промежуточной области это иногда необходимо учитывать диффузную и зеркальную составляющие в отдельности.

Рис. 13. Световой луч, падающий на стеклянную поверхность

Плоская зеркальная поверхность не изменит расхождения падающий световой луч значительно. Однако изогнутые зеркальные поверхности могут изменить расхождение. Сумма, которую расхождение изменяется в зависимости от кривизны поверхность.На рисунке 14 показаны эти два типа поверхностей и как они будут отражать падающий лазерный луч. Расхождение и кривизна отражателя была увеличена в лучшую сторону проиллюстрировать эффекты. Обратите внимание, что значение освещенности на определенном расстоянии от отражателя будет меньше после отражения от изогнутой поверхности, чем при отражении от плоская поверхность, если изогнутый отражатель не фокусирует луч рядом или в этом диапазоне.

Диффузная поверхность – это поверхность, которая будет отражать падающий лазерный луч во всех направлениях.Путь луча не выдерживается когда лазерный луч попадает на диффузный отражатель. Будь поверхность представляет собой диффузный отражатель или зеркальный отражатель будет зависят от длины волны падающего лазерного луча. Поверхность это был бы диффузный отражатель для видимого лазерного луча. быть зеркальным отражателем для инфракрасного лазерного луча (например, ). Как показано на рисунке 15, влияние различной кривизны диффузных отражателей мало влияет на отраженный луч.

Если свет падает на границу раздела двух передающей средой (как интерфейс воздух-стекло), немного света будет передаваться, в то время как некоторые будут отражаться от поверхности.Если на границе раздела энергия не поглощается, T + R = 1, где T и R – доли интенсивности падающего пучка, которые передается и отражается. T и R называются трансмиссией. и коэффициенты отражения соответственно. Эти коэффициенты зависят не только от свойств материала и длины волны излучения, но и от угла наклона заболеваемость. Количество падающего светового луча, которое отражается, а количество, передаваемое через материал, в дальнейшем зависит от поляризации светового луча.

Угол, который образует падающий луч излучения с нормали к поверхности определяют угол преломления и угол отражения (угол отражения равен углу заболеваемости). Связь между углом падения ( ), а угол преломления (‘) составляет

(3)

где n и n ‘- показатели преломления сред, падающий и прошедший лучи проходят соответственно (см. рисунок 13).

Рисунок 14. Зеркальные отражатели

Рисунок 15. Диффузные отражатели

---

ИСТОЧНИК: Центр надводной войны Роберта Олдрича, дивизия Дальгрена.

Раздел 1: Основы лазера

Уведомление: Материалы, представленные на этих страницах, предназначены для использования преподавателями, сотрудниками и студентами Принстонского университета для удовлетворения потребностей в обучении, характерных для Принстонского университета.

---

Введение (вверху)

Слово лазер является аббревиатурой от «Усиление света за счет вынужденного излучения».Лазеры используются в качестве вспомогательных средств на многих факультетах Принстонского университета.

В этом документе термин «лазер» будет ограничен устройствами, излучающими электромагнитное излучение, в которых используется усиление света путем вынужденного излучения с длинами волн от 180 нанометров до 1 миллиметра. Электромагнитный спектр включает энергию от гамма-лучей до электричества. На рисунке 1 показан общий электромагнитный спектр и длины волн в различных регионах.

Основные длины волн лазеров, используемых в Принстонском университете, включают ультрафиолетовую, видимую и инфракрасную области спектра. Ультрафиолетовое излучение для лазеров состоит из длин волн от 180 до 400 нанометров (нм). Видимая область состоит из излучения с длинами волн от 400 до 700 нм. Это часть, которую мы называем видимым светом. Инфракрасная область спектра состоит из излучения с длинами волн от 700 нм до 1 мм.

Цвет или длина волны излучаемого света зависит от типа используемого материала для генерации.Например, если в качестве материала для генерации используется кристалл неодима: иттрий-алюминиевого граната (Nd: YAG), будет испускаться свет с длиной волны 1064 нм. В таблице 1 показаны различные типы материалов, используемых в настоящее время для генерации, а также длины волн, излучаемые этим типом лазера. Обратите внимание, что некоторые материалы и газы могут излучать более одной длины волны. Длина волны излучаемого света в этом случае зависит от оптической конфигурации лазера.

---

Теория и работа лазера (вверху)

Лазер генерирует луч очень интенсивного света.Основное различие между лазерным светом и светом, генерируемым источниками белого света (например, лампочкой), заключается в том, что лазерный свет является монохроматическим, направленным и когерентным. Монохроматический означает, что весь свет, излучаемый лазером, имеет одну длину волны. Белый свет – это комбинация всех видимых длин волн (400-700 нм). Направленный означает, что луч света имеет очень низкую расходимость. Свет от обычных источников, таких как лампочка, расходится во всех направлениях, как показано на рисунке 2.Интенсивность может быть большой у источника, но она быстро уменьшается по мере удаления наблюдателя от источника.

Напротив, выходной сигнал лазера, как показано на рисунке 3, имеет очень маленькую расходимость и может поддерживать высокую интенсивность луча на больших расстояниях. Таким образом, относительно маломощные лазеры способны излучать больше энергии на одной длине волны в узком луче, чем можно получить от гораздо более мощных традиционных источников света.

Когерентный означает, что световые волны находятся в фазе друг с другом.Лампочка излучает волны разных длин, что делает ее некогерентной.

---

Компоненты лазера (вверху)

На рисунке 5 показаны основные компоненты лазера, включая материал для генерации, источник накачки или среду возбуждения, оптический резонатор и выходной элемент связи.

Материал для генерации может быть твердым, жидким, газовым или полупроводниковым и может излучать свет во всех направлениях. Источником накачки обычно является электричество от источника питания, лампы или импульсной лампы, но также может быть другой лазер.В лабораториях Принстонского университета очень распространено использование одного лазера для накачки другого.

Возбуждающая среда используется для возбуждения лазерного излучения, заставляя его излучать свет. Оптический резонатор содержит зеркала на каждом конце, которые отражают этот свет и заставляют его отражаться между зеркалами. В результате энергия возбуждающей среды усиливается в виде света. Часть света проходит через выходной ответвитель, обычно через полупрозрачное зеркало на одном конце резонатора.После этого полученный луч готов к использованию в любом из сотен приложений.

Выходной сигнал лазера может быть постоянным, как в лазерах непрерывного действия (CW), или импульсным. Модулятор добротности на оптическом пути – это метод подачи лазерных импульсов чрезвычайно короткой продолжительности. Q-переключатель может использовать вращающуюся призму, ячейку Поккельса или затворное устройство для создания импульса. Лазеры с модуляцией добротности могут производить лазерный импульс высокой пиковой мощности длительностью несколько наносекунд.

Лазер непрерывного действия имеет стабильную выходную мощность, измеряемую в ваттах (Вт).Для импульсных лазеров под выходной мощностью обычно понимается энергия, а не мощность. Лучистая энергия является функцией времени и измеряется в джоулях (Дж). При измерении или расчете воздействия лазерного излучения часто используются два термина. Сияющее воздействие – это лучистая энергия, деленная на площадь поверхности, на которую падает луч. Выражается в Дж / см2. Энергия излучения – это мощность излучения, падающая на поверхность, деленная на площадь поверхности, по которой распределяется мощность излучения. Выражается в Вт / см2.Для импульсно-периодических лазеров фактор повторения импульсов (prf) и ширина импульса важны для оценки биологических эффектов.

Типы лазеров (вверху)

Лазерный диод – это светоизлучающий диод, в котором используется оптический резонатор для усиления света, излучаемого из запрещенной зоны в полупроводниках. (См. Рис. 6.) Их можно настраивать на разные длины волн, изменяя приложенный ток, температуру или магнитное поле.

Газовые лазеры состоят из газонаполненной трубки, помещенной в резонатор лазера, как показано на рисунке 7.К трубке прикладывается напряжение (внешний источник накачки), чтобы возбуждать атомы газа до инверсии населенности. Свет, излучаемый этим типом лазера, обычно представляет собой непрерывную волну (CW). Следует отметить, что если к газоразрядной трубке прикрепить угловые окна Брюстера, часть лазерного излучения может отражаться за пределы лазерного резонатора. В больших газовых лазерах, известных как газодинамические лазеры, для инверсии населенностей используются камера сгорания и сверхзвуковое сопло.

В лазерах на красителях активный материал находится в жидкой суспензии.В ячейке с красителем находится среда для генерации. Эти лазеры популярны, потому что их можно настраивать на несколько длин волн, изменяя химический состав красителя. Многие из обычно используемых красителей или жидких суспензий токсичны.

Лазеры на свободных электронах, такие как на Рисунке 8, могут генерировать волны с длиной волны от микроволнового до рентгеновского диапазона. Они работают за счет прохождения электронного луча в оптическом резонаторе через магнитное поле вигглера. Изменение направления, оказываемое магнитным полем на электроны, заставляет их излучать фотоны.

---

Что такое электромагнитное излучение? | Живая наука

Электромагнитное (ЭМ) излучение – это форма энергии, которая окружает нас повсюду и принимает различные формы, такие как радиоволны, микроволны, рентгеновские лучи и гамма-лучи. Солнечный свет также является формой электромагнитной энергии, но видимый свет составляет лишь небольшую часть электромагнитного спектра, который содержит широкий диапазон длин электромагнитных волн.

Электромагнитная теория

Когда-то считалось, что электричество и магнетизм – это отдельные силы.Однако в 1873 году шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл разработал единую теорию электромагнетизма. Изучение электромагнетизма касается того, как электрически заряженные частицы взаимодействуют друг с другом и с магнитными полями.

Существует четыре основных электромагнитных взаимодействия:

• Сила притяжения или отталкивания между электрическими зарядами обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.
• Магнитные полюса попарно притягиваются и отталкиваются, как электрические заряды.
• Электрический ток в проводе создает магнитное поле, направление которого зависит от направления тока.
• Движущееся электрическое поле создает магнитное поле, и наоборот.

Максвелл также разработал набор формул, называемых уравнениями Максвелла, для описания этих явлений.

Волны и поля

ЭМ-излучение создается, когда атомная частица, например электрон, ускоряется электрическим полем, заставляя ее двигаться. Движение создает колеблющиеся электрические и магнитные поля, которые движутся под прямым углом друг к другу в пучке световой энергии, называемой фотоном.Фотоны перемещаются в гармонических волнах с самой высокой скоростью во Вселенной: 186 282 миль в секунду (299 792 458 метров в секунду) в вакууме, также известной как скорость света. Волны обладают определенными характеристиками, такими как частота, длина волны или энергия.

Электромагнитные волны образуются, когда электрическое поле (показано красными стрелками) соединяется с магнитным полем (показано синими стрелками). Магнитное и электрическое поля электромагнитной волны перпендикулярны друг другу и направлению волны.(Изображение предоставлено NOAA.)

Длина волны – это расстояние между двумя последовательными пиками волны. Это расстояние указывается в метрах (м) или долях от него. Частота – это количество волн, которые формируются за определенный промежуток времени. Обычно он измеряется как количество волновых циклов в секунду или герц (Гц). По данным Университета Висконсина, короткая длина волны означает, что частота будет выше, потому что один цикл может пройти за более короткое время. Точно так же более длинная волна имеет более низкую частоту, потому что каждый цикл занимает больше времени.

ЭМ-спектр

ЭМ-излучение охватывает огромный диапазон длин волн и частот. Этот диапазон известен как электромагнитный спектр. Спектр ЭМ обычно делится на семь областей в порядке уменьшения длины волны и увеличения энергии и частоты. Общие обозначения: радиоволны, микроволны, инфракрасный (ИК), видимый свет, ультрафиолет (УФ), рентгеновские лучи и гамма-лучи. Обычно излучение с более низкой энергией, такое как радиоволны, выражается как частота; микроволны, инфракрасный, видимый и ультрафиолетовый свет обычно выражаются длиной волны; а излучение более высоких энергий, такое как рентгеновские лучи и гамма-лучи, выражается в единицах энергии на фотон.

Электромагнитный спектр обычно делится на семь областей в порядке уменьшения длины волны и увеличения энергии и частоты: радиоволны, микроволны, инфракрасный, видимый свет, ультрафиолет, рентгеновские лучи и гамма-лучи. (Изображение предоставлено: Biro Emoke Shutterstock)

Радиоволны

Радиоволны находятся в самом низком диапазоне электромагнитного спектра с частотами примерно до 30 миллиардов герц, или 30 гигагерц (ГГц), и длинами волн более примерно 10 миллиметров ( 0.4 дюйма). Радио используется в основном для связи, включая передачу голоса, данных и развлечений.

Микроволны

Микроволны попадают в диапазон электромагнитного спектра между радио и ИК. Они имеют частоты от примерно 3 ГГц до примерно 30 триллионов герц, или 30 терагерц (ТГц), и длины волн от примерно 10 мм (0,4 дюйма) до 100 микрометров (мкм) или 0,004 дюйма. Микроволны используются для связи с высокой пропускной способностью, радаров и в качестве источника тепла для микроволновых печей и промышленных приложений.

Инфракрасный

Инфракрасный находится в диапазоне электромагнитного спектра между микроволнами и видимым светом. ИК-диапазон имеет частоты от примерно 30 ТГц до примерно 400 ТГц и длины волн от примерно 100 мкм (0,004 дюйма) до 740 нанометров (нм) или 0,00003 дюйма. ИК-свет невидим для человеческого глаза, но мы можем ощущать его как тепло, если его интенсивность достаточна.

Видимый свет

Видимый свет находится в середине ЭМ спектра, между ИК и УФ. Он имеет частоты от 400 до 800 ТГц и длину волны около 740 нм (0.00003 дюйма) до 380 нм (0,000015 дюйма). В более общем смысле, видимый свет определяется как длины волн, которые видны большинству человеческих глаз.

Ультрафиолет

Ультрафиолетовый свет находится в диапазоне электромагнитного спектра между видимым светом и рентгеновскими лучами. Он имеет частоты от 8 × 10 ¹⁴ до 3 × 10 ¹⁶ Гц и длины волн от около 380 нм (0,00000015 дюйма) до около 10 нм (0,0000004 дюйма). УФ-свет – это составляющая солнечного света; однако это невидимо для человеческого глаза.Он имеет множество медицинских и промышленных применений, но может повредить живые ткани.

Рентгеновские лучи

Рентгеновские лучи примерно подразделяются на два типа: мягкие рентгеновские лучи и жесткие рентгеновские лучи. Мягкое рентгеновское излучение включает диапазон ЭМ-спектра между УФ и гамма-лучами. Мягкое рентгеновское излучение имеет частоты от примерно 3 × 10 ¹⁶ до примерно 10 ¹⁸ Гц и длины волн от примерно 10 нм (4 × 10 ^-7 дюймов) до примерно 100 пикометров (пм) или 4 × 10 ^{. −8} дюймов. Жесткое рентгеновское излучение занимает ту же область электромагнитного спектра, что и гамма-лучи.Единственное различие между ними заключается в их источнике: рентгеновские лучи производятся ускорением электронов, а гамма-лучи производятся атомными ядрами.

Гамма-лучи

Гамма-лучи находятся в диапазоне спектра выше мягкого рентгеновского излучения. Гамма-лучи имеют частоты более 10 ¹⁸ Гц и длины волн менее 100 пм (4 × 10 ^-9 дюймов). Гамма-излучение вызывает повреждение живых тканей, что делает его полезным для уничтожения раковых клеток при применении в тщательно отмеренных дозах на небольшие участки.Однако неконтролируемое воздействие чрезвычайно опасно для человека.

Дополнительные ресурсы

Электромагнитное излучение – обзор

§69 Плоские волны

Давайте рассмотрим частный случай электромагнитных волн, в котором поле зависит только от одной координаты, скажем, x (и от времени). Такие волны называются плоскостью . В этом случае уравнение для поля принимает вид

(69.1) ∂2f∂t2 − c2∂2f∂x2 = 0,

, где под f понимается любая составляющая векторов E и H .

Для решения этого уравнения перепишем его в виде

(∂∂t − c∂∂x) (∂∂t + c∂∂x) f = 0,

и введем новые переменные

ξ = t −xc, η = t + xc

, так что t = 12 (η + ξ), x = 12c (η − ξ). Тогда

∂∂ξ = 12 (∂∂t − c∂∂x), ∂∂η = 12 (∂∂t + c∂∂x),

, так что уравнение для f принимает вид

∂2f ∂ξ ∂η = 0.

Решение, очевидно, имеет вид f = f ₁ (ξ) + f ₂ (η), где f ₁ и f ₂ – произвольные функции.Таким образом,

(69.2) f = f1 (t − xc) + f2 (t + xc).

Предположим, например, f ₂ = 0, так что

f = f1 (t − xc).

Поясним смысл этого решения. В каждой плоскости x = постоянное, поле изменяется со временем; в каждый данный момент поле разное для разных x. Ясно, что поле имеет одинаковые значения для координат x и умноженных на t , которые удовлетворяют соотношению t – ( x / c ) = = постоянный, то есть

x = постоянный + ct.

Это означает, что если в какой-то момент времени t = 0 поле в определенной точке x в пространстве имело какое-то определенное значение, то через промежуток времени t поле имеет такое же значение на расстоянии ct по оси x от исходного места. Можно сказать, что все значения электромагнитного поля распространяются в пространстве вдоль оси x со скоростью, равной скорости света c.

Таким образом, f ₁ ( t – x / c представляет собой плоскую волну, движущуюся в положительном направлении вдоль оси x .Легко показать, что f ₂ ( t + x / c ) представляет волну, движущуюся в противоположном, отрицательном направлении вдоль оси x .

В §68 мы показали, что потенциалы электромагнитной волны можно выбрать так, чтобы φ = 0 и div A = 0. Таким же образом мы выбираем потенциалы плоской волны, которые мы сейчас рассматриваем. . Условие div A = 0 дает в этом случае

∂Ax / ∂x = 0,

, поскольку все величины не зависят от y и z. Согласно (69.1) тогда также ∂2Ax / ∂t2 = 0, то есть ∂Ax / ∂t = constant. Но производная ∂A / ∂t определяет электрическое поле, и мы видим, что ненулевой компонент A _x представляет в этом случае наличие постоянного продольного электрического поля. Поскольку такое поле не имеет отношения к электромагнитной волне, мы можем положить A _x = 0.

Таким образом, векторный потенциал плоской волны всегда можно выбрать перпендикулярно оси x , т.е.е. к направлению распространения этой волны.

Рассмотрим плоскую волну, движущуюся в положительном направлении оси x ; в этой волне все величины, и в частности A , являются функциями только t – ( x / c ). Из формул

E = −1c∂A∂t, H = curl A,

, следовательно, получаем

(69.3) E = −1cA ′, H = ∇ × A = ∇ (t − xc) × A ′ = −1cn × A ‘,

, где штрих обозначает дифференцирование относительно t – ( x / c ), а n – единичный вектор вдоль направления распространения волны.Подставляя первое уравнение во второе, получаем

(69,4) H = n × E.

Мы видим, что электрическое и магнитное поля E и H плоской волны направлены перпендикулярно направлению распространения волны. По этой причине электромагнитные волны считаются поперечными на °. Из (69.4) ясно также, что электрическое и магнитное поля плоской волны перпендикулярны друг другу и равны друг другу по абсолютной величине.

Поток энергии в плоской волне

S = c4πE × H = c4πE2n = c4πh3n.

Таким образом, поток энергии направлен по направлению распространения волны. Поскольку

W = 18π (E2 + h3) = E24π

– плотность энергии волны, мы можем записать

(69,5) S = cWn,

в соответствии с тем, что поле распространяется со скоростью свет.

Импульс на единицу объема электромагнитного поля составляет S / c ² .Для плоской волны это дает ( W / c ) n . Обратим внимание на тот факт, что соотношение между энергией W и импульсом W / c для электромагнитной волны такое же, как для частицы, движущейся со скоростью света (см. (39.12)).

Поток количества движения поля определяется составляющими σ _ik тензора напряжений Максвелла (58,5). Снова выбирая направление распространения волны в качестве оси x , мы обнаруживаем, что единственный ненулевой компонент – это

(69.6) σxx = W.

Как и должно быть, поток количества движения направлен вдоль направления распространения волны и равен по величине плотности энергии.

Электромагнитное излучение – природа электромагнитного излучения

Видимый свет – сложное явление, которое классически объясняется простой моделью, основанной на распространяющихся лучах и волновых фронтах, концепции, впервые предложенной в конце 1600-х годов голландским физиком Кристианом Гюйгенсом. Электромагнитное излучение, более обширное семейство волновых явлений, к которым принадлежит видимый свет (также известное как энергия излучения ), является основным средством транспортировки энергии через обширные пространства Вселенной.Механизмы, с помощью которых видимый свет излучается или поглощается веществами, и то, как он предсказуемо реагирует в различных условиях при перемещении в космосе и атмосфере, составляют основу существования цвета в нашей Вселенной.

Термин электромагнитное излучение , введенный сэром Джеймсом Клерком Максвеллом, происходит от характерных электрических и магнитных свойств, общих для всех форм этой волнообразной энергии, что проявляется в генерации как электрических, так и магнитных осциллирующих полей как волны распространяются в пространстве.Видимый свет представляет лишь небольшую часть всего спектра электромагнитного излучения (как показано на рисунке 1), который простирается от высокочастотных космических и гамма-лучей через рентгеновские лучи, ультрафиолетовый свет, инфракрасное излучение и микроволны, вплоть до очень низких. частота длинноволновых радиоволн.

Связь между светом, электричеством и магнетизмом не сразу была очевидна для первых ученых, которые экспериментировали с фундаментальными свойствами света и материи. Инфракрасный свет, выходящий за пределы длинных красных волн видимого света, был первой открытой «невидимой» формой электромагнитного излучения.Британский ученый и астроном Уильям Гершель исследовал связь между теплом и светом с помощью термометра и призмы, когда он обнаружил, что температура была самой высокой в ​​области, находящейся за пределами красной части спектра видимого света. Гершель предположил, что в этой области должен быть другой тип света, невидимый невооруженным глазом.

Ультрафиолетовое излучение на другом конце видимого спектра было открыто Вильгельмом Риттером, который был одним из первых ученых, исследовавших энергию, связанную с видимым светом.Наблюдая за скоростью, с которой различные цвета света вызывают потемнение бумаги, пропитанной раствором нитрата серебра, Риттер обнаружил, что другая невидимая форма света за пределами синего конца спектра дает самые высокие показатели.

Распространение электромагнитных волн

Исследуйте распространение волн в пространстве с синусоидальным представлением электромагнитного излучения. Взаимодействуйте с учебником, чтобы изменить длину волны и коэффициент заполнения векторов электрического и магнитного поля.

Start Tutorial »

Электричество и магнетизм впервые были связаны в 1820 году, когда датский физик Ганс Кристиан Эрстед обнаружил, что электрический ток, протекающий по проводу, может вызывать отклонения стрелки компаса. Позже в том же году французский ученый Андре-Мари Ампер продемонстрировал, что два провода, по которым проходят электрические токи, могут притягиваться или отталкиваться друг от друга аналогично тому, как это делают магнитные полюса. В течение следующих нескольких десятилетий дополнительные исследования, последовавшие за этими выводами, дали все больше доказательств того, что электричество и магнетизм очень тесно связаны друг с другом.

Наконец, в 1865 году шотландский ученый Джеймс Клерк Максвелл расширил свою кинетическую теорию газов, чтобы математически объяснить связь между электричеством и магнетизмом. Максвелл предположил, что эти два явления были настолько тесно связаны, что они часто действовали вместе как электромагнетизм , и обнаружил, что переменный ток будет производить волны, состоящие из обоих объектов, которые излучаются в космос со скоростью света. Из этих наблюдений он пришел к выводу, что видимый свет является формой электромагнитного излучения.

Электромагнитная волна распространяется или распространяется в направлении, которое ориентировано под прямым углом к ​​колебаниям вектора электрического ( E ) и магнитного ( B ) осциллирующего поля, передавая энергию от источника излучения к источнику излучения. неопределенный конечный пункт назначения. Два колеблющихся энергетических поля взаимно перпендикулярны (показано на рисунке 2) и колеблются в фазе согласно математической форме синусоидальной волны. Векторы электрического и магнитного поля не только перпендикулярны друг другу, но также перпендикулярны направлению распространения волны.По соглашению и для упрощения иллюстраций векторы, представляющие электрические и магнитные колеблющиеся поля электромагнитных волн, часто опускаются, хотя предполагается, что они все еще существуют.

Будь то сигнал, передаваемый на радио от радиостанции, тепло, излучаемое от камина, рентгеновские лучи стоматолога, создающие изображения зубов, или видимый и ультрафиолетовый свет, исходящий от солнца, различные категории электромагнитных Все излучения имеют идентичные и фундаментальные волновые свойства.Каждая категория электромагнитного излучения, включая видимый свет, периодически колеблется с пиками и впадинами (или впадинами) и отображает характерную амплитуду , длину волны и частоту , которые вместе определяют направление, энергию и интенсивность. излучения.

Классическая схематическая диаграмма электромагнитной волны, представленная на рисунке 2, иллюстрирует синусоидальную природу колеблющихся векторов электрических и магнитных составляющих при их распространении в пространстве.Для удобства большинство иллюстраций, изображающих электромагнитное излучение, намеренно опускают магнитную составляющую, вместо этого представляя только вектор электрического поля в виде синусоидальной волны на двумерном графическом графике с заданными координатами x и y . По соглашению, составляющая x синусоидальной волны указывает амплитуду электрического (или магнитного поля), а составляющая x представляет время, пройденное расстояние или фазовое соотношение с другой синусоидальной волной.

Стандартной мерой всего электромагнитного излучения является величина длины волны (в вакууме), которая обычно выражается в единицах нанометров (одна тысячная микрометра) для видимой части спектра. Длина волны определяется как расстояние между двумя последовательными пиками (или впадинами) формы волны (см. Рисунок 2). Соответствующая частота излучаемой волны, которая представляет собой количество синусоидальных циклов (колебаний или полных длин волн), которые проходят заданную точку в секунду, пропорциональна обратной величине длины волны.Таким образом, более длинные волны соответствуют более низкочастотному излучению, а более короткие длины волн соответствуют более высокочастотному излучению. Частота обычно выражается в количестве Гц, ( Гц, ) или циклах в секунду ( Гц, ).

Герц был обозначен как стандартная единица частоты электромагнитного излучения в знак признания работы немецкого физика Генриха Герца, которому удалось создать и провести эксперименты с электромагнитными волнами в 1887 году, через восемь лет после смерти Максвелла.Герц произвел, обнаружил и даже измерил длину волны (приблизительно один метр) излучения, которое теперь классифицируется как радиочастотный диапазон. Дэвид Хьюз, лондонский ученый, который в начале своей карьеры был профессором музыки, возможно, на самом деле был первым исследователем, преуспевшим в передаче радиоволн (в 1879 году), но, не сумев убедить Королевское общество, он решил не опубликовать его работу, и она не была признана до тех пор, пока много лет спустя.

Различные длины волн и частоты, составляющие различные формы электромагнитного излучения, фундаментально схожи в том, что все они движутся с одинаковой скоростью – около 186 000 миль в секунду (или примерно 300 000 километров в секунду), скорость, обычно известная как скорость света. (и обозначен символом c ).Электромагнитное излучение (включая видимый свет) проходит 149 миллионов километров (93 миллиона миль) от Солнца до Земли примерно за 8 минут. Напротив, автомобилю, разгоняющемуся со скоростью 100 километров в час (60 миль в час), потребуется 177 лет, чтобы совершить такую ​​же поездку в один конец. Всего за одну секунду свет может семь раз обогнуть Землю.

Длина волны света и всех других форм электромагнитного излучения связана с частотой относительно простым уравнением:

ν = c / λ

, где c – скорость света (в метрах в секунду), ν – частота света в герцах (Гц), а λ – длина волны света, измеренная в метрах.Из этого соотношения можно сделать вывод, что длина волны света обратно пропорциональна частоте. Увеличение частоты приводит к пропорциональному уменьшению длины волны света с соответствующим увеличением энергии фотонов, составляющих свет. При входе в новую среду (например, стекло или воду из воздуха) скорость и длина волны света уменьшаются, хотя частота остается неизменной.

В нормальных условиях, путешествуя через однородную среду, такую ​​как воздух или вакуум, свет распространяется по прямым линиям до тех пор, пока взаимодействие с другой средой или материалом не вызовет изменение пути за счет преломления (изгиб) или отражения .Интенсивность также может быть уменьшена в результате поглощения средой . Если световые волны проходят через узкую щель или апертуру (отверстие), то они могут быть дифрагированными, или рассеянными (рассеянными) с образованием характерной дифракционной картины. В соответствии с хорошо известным законом обратных квадратов , интенсивность (или энергетическая яркость) электромагнитного излучения обратно пропорциональна квадрату пройденного расстояния. Таким образом, после того, как свет прошел дважды заданное расстояние, интенсивность падает в четыре раза.

Видимый свет демонстрирует классические волновые свойства, но он также проявляет свойства, напоминающие частицы, которые проявляются через сущности, обладающие энергией и импульсом (но не массой), и называются фотонами . Атом является источником всех форм электромагнитного излучения, видимого или невидимого. Формы излучения с более высокой энергией, такие как гамма-волны и рентгеновские лучи, возникают в результате событий, которые нарушают ядерную стабильность атома.Излучение с более низкой энергией, такое как ультрафиолетовый, видимый и инфракрасный свет, а также радио и микроволны, исходит из электронных облаков, которые окружают ядро ​​или взаимодействия одного атома с другим. Эти формы излучения возникают из-за того, что электроны, движущиеся по орбитам вокруг ядра атома, расположены на разных энергетических уровнях в рамках своих функций распределения вероятностей. Многие электроны могут поглощать дополнительную энергию от внешних источников электромагнитного излучения (см. Рисунок 3), что приводит к их продвижению на изначально нестабильный более высокий энергетический уровень.

В конце концов, «возбужденный» электрон теряет дополнительную энергию, испуская электромагнитное излучение меньшей энергии, и при этом возвращается к своему исходному и стабильному уровню энергии. Энергия испускаемого излучения равна энергии, первоначально поглощенной электроном, за вычетом других небольших количеств энергии, потерянных в результате ряда вторичных процессов.

Уровни энергии электромагнитного излучения могут в значительной степени изменяться в зависимости от энергии исходных электронов или ядер.Например, радиоволны обладают значительно меньшей энергией, чем микроволны, инфракрасные лучи или видимый свет, и все эти волны содержат гораздо меньше энергии, чем ультрафиолетовый свет, рентгеновские лучи и гамма-волны. Как правило, более высокие энергии электромагнитного излучения связаны с более короткими длинами волн, чем аналогичные формы излучения, имеющие более низкую энергию. Связь между энергией электромагнитной волны и ее частотой выражается уравнением :

E = ч ν = ч с / λ

, где E – энергия в килоджоулей на моль, h – постоянная Планка, а другие переменные определены, как обсуждалось ранее.Исходя из этого уравнения, энергия электромагнитной волны прямо пропорциональна ее частоте и обратно пропорциональна длине волны. Таким образом, с увеличением частоты (с соответствующим уменьшением длины волны) энергия электромагнитной волны увеличивается, и наоборот. Отдельные характеристики различных типов электромагнитного излучения, определяемые их длиной волны, частотой и уровнями энергии, будут рассмотрены индивидуально в следующих параграфах.

Хотя электромагнитное излучение обычно описывается длиной волны и частотой формы волны, при рассмотрении того, как волны распространяются в пространстве, важны другие характерные свойства.На рисунке 4 представлены различные формы сигналов, представляющие общие состояния, которые используются для описания степени однородности электромагнитного излучения. Поскольку видимый свет является наиболее часто обсуждаемой формой излучения, примеры, показанные на рисунке 4, представляют длины волн в этой спектральной области. Например, монохроматический свет состоит из волн, имеющих одинаковую длину волны и частоту, или макроскопически один и тот же цвет в видимом свете. Напротив, полихроматический видимый свет обычно выглядит как белый из-за вкладов смеси всех или большинства длин волн в спектре в диапазоне от 400 до 700 нанометров.

Когда свет неполяризован (рис. 4), векторы электрического поля колеблются во всех плоскостях, перпендикулярных направлению распространения. Свет, который был отражен от гладкой поверхности под критическим углом или прошел через поляризационные фильтры, принимает ориентацию с плоской поляризацией , при этом все электрические векторы колеблются в одной плоскости, перпендикулярной направлению распространения. Свет от солнца и большинство обычных ламп накаливания и флуоресцентных источников видимого света неполяризован, в то время как свет, видимый через поляризационные линзы специальных солнцезащитных очков, поляризован в вертикальном направлении.В некоторых случаях свет может иметь эллиптическую или круговую поляризацию, когда он проходит через материалы с более чем одним показателем преломления ( двулучепреломляющих или двулучепреломляющих веществ).

Большинство искусственных и естественных источников света излучают некогерентного света , который отображает различные фазовые соотношения между длинами волн, присутствующими в спектре (рис. 4). В этом случае пики и спады колебательных состояний в отдельных волнах не совпадают ни в пространстве, ни во времени. Когерентный свет состоит из длин волн, которые находятся в фазе друг с другом, и ведет себя совсем иначе, чем некогерентный свет, в отношении оптических свойств и взаимодействия с веществом. Волновые фронты, создаваемые когерентным светом, имеют электрические и магнитные векторные колебания, которые колеблются в фазе, имеют малые углы расходимости и обычно состоят из монохроматического света или длин волн, которые имеют узкое распределение. Лазеры – распространенный источник когерентного света.

Световые волны, которые имеют коаксиальные, относительно не расходящиеся пути при перемещении в пространстве, называются коллимированными . Эта организованная форма света не распространяется и не сходится в значительной степени на сравнительно больших расстояниях. Коллимированный свет образует очень плотный луч, но не обязательно имеет узкую полосу длин волн (и не должен быть монохроматическим), общее фазовое соотношение или определенное состояние поляризации. Волновые фронты коллимированного света плоские и перпендикулярны оси распространения.Напротив, расходящийся или неколлимированный свет распространяется в разной степени при перемещении в пространстве и должен проходить через линзу или апертуру, чтобы быть коллимированным или сфокусированным.

Гамма-лучи – Высокоэнергетическое излучение с самой высокой частотой (и самой короткой длиной волны), гамма-лучи испускаются в результате переходов внутри атомного ядра, включая ядра некоторых радиоактивных материалов (естественных и искусственных). Гамма-волны также возникают в результате ядерных взрывов и множества других источников в космическом пространстве.Эти мощные лучи обладают огромной проникающей способностью и, как сообщается, могут проходить через три метра бетона! Отдельные гамма-фотоны содержат столько энергии, что их легко обнаружить, но чрезвычайно малая длина волны ограничивает экспериментальное наблюдение каких-либо волновых свойств. Гамма-лучи, исходящие из самых горячих регионов Вселенной, включая взрывы сверхновых, нейтронные звезды, пульсары и черные дыры, преодолевают огромные расстояния в космосе, чтобы достичь Земли.Эта высокоэнергетическая форма излучения имеет длины волн менее одной сотой нанометра (10 пикометров), энергию фотонов более 500 килоэлектронвольт ( кэВ, ) и частоты, превышающие 30 эксагерц ( EHz, ).

Воздействие гамма-лучей может вызывать мутации, хромосомные аберрации и даже гибель клеток, что часто наблюдается при некоторых формах радиационного отравления. Однако, контролируя излучение гамма-лучей, радиологи могут перенаправить высокие уровни энергии на борьбу с болезнями и помочь вылечить некоторые формы рака.Гамма-астрономия – относительно новая наука, которая собирает эти высокоэнергетические волны для создания изображений Вселенной, как показано на рисунке 5. Этот метод дает ученым возможность наблюдать далекие небесные явления в поисках новых физических концепций и проверять теории, которые не могут быть опровергнуты экспериментами, проводимыми здесь, на Земле.

Рентгеновские лучи – Электромагнитное излучение, имеющее частоту чуть выше ультрафиолетового (но ниже гамма) диапазона, классифицируется как рентгеновское излучение, и оно достаточно энергично, чтобы легко проходить через многие материалы, включая мягкие ткани животных.Высокая глубина проникновения этих мощных волн в сочетании с их способностью экспонировать фотографические эмульсии привели к широкому использованию рентгеновских лучей в медицине для исследования текстур человеческого тела, а в некоторых случаях в качестве терапевтического или хирургического инструмента. Так же, как и гамма-лучи более высоких энергий, неконтролируемое воздействие рентгеновских лучей может привести к мутациям, хромосомным аберрациям и другим формам повреждения клеток. Традиционные методы рентгенографии по существу не производят ничего, кроме теней от плотного материала, а не детализированных изображений.Однако недавние достижения в технике фокусировки рентгеновских лучей с использованием зеркальной оптики привели к значительно более детальным изображениям различных объектов с использованием рентгеновских телескопов, рентгеновских микроскопов и интерферометров.

Горячие газы в космическом пространстве излучают мощный спектр рентгеновских лучей, которые используются астрономами для получения информации о происхождении и характеристиках межзвездных областей Вселенной. Многие чрезвычайно горячие небесные объекты, включая Солнце, черные дыры и пульсары, излучают в основном в рентгеновской области спектра и являются объектами астрономических рентгеновских исследований.Частотный спектр рентгеновских лучей охватывает очень большой диапазон с самыми короткими длинами волн, приближающимися к диаметру атома. Однако вся спектральная область рентгеновского излучения проходит по шкале длин примерно от 10 нанометров до 10 пикометров. Этот диапазон длин волн делает рентгеновское излучение важным инструментом для геологов и химиков для характеристики структуры и свойств кристаллических материалов, которые имеют периодические структурные особенности в масштабе длины, сравнимом с длинами волн рентгеновского излучения.

Ультрафиолетовый свет – Часто сокращенно ( uv ) ультрафиолетовое излучение распространяется на частотах чуть выше частот фиолетового в спектре видимого света. Хотя низкоэнергетический конец этой спектральной области находится рядом с видимым светом, ультрафиолетовые лучи в верхнем конце своего частотного диапазона обладают достаточной энергией, чтобы убить живые клетки и вызвать значительное повреждение тканей. Солнце является постоянным источником ультрафиолетового излучения, но атмосфера Земли (в первую очередь молекулы озона) эффективно блокирует большую часть более коротких волн этого потенциально смертельного потока излучения, тем самым обеспечивая подходящую среду обитания для растений и животных.Энергии фотонов в ультрафиолете достаточно для ионизации атомов ряда молекул газа в атмосфере, и это процесс, посредством которого ионосфера создается и поддерживается. Хотя небольшие дозы этого относительно высокоэнергетического света могут способствовать выработке витамина D в организме и вызывать минимальный загар кожи, слишком большое количество ультрафиолетового излучения может привести к серьезным солнечным ожогам, необратимому повреждению сетчатки и развитию рака кожи.

Ультрафиолетовый свет широко используется в научных инструментах для исследования свойств различных химических и биологических систем, а также он важен для астрономических наблюдений за Солнечной системой, галактикой и другими частями Вселенной.Звезды и другие горячие небесные объекты являются сильными источниками ультрафиолетового излучения. Ультрафиолетовый спектр длин волн находится в диапазоне от примерно 10 до примерно 400 нанометров, а энергия фотонов находится в диапазоне от 3,2 до 100 электрон-вольт ( эВ, ). Эта категория излучения находит применение в обработке воды и пищевых продуктов в качестве антимикробного агента, в качестве фотокатализатора для содержащихся в клетках соединений и используется для упрочнения слепков при лечении. Бактерицидная активность ультрафиолетового света проявляется при длинах волн менее примерно 290 нанометров.Рынок блокирующих и фильтрующих соединений, используемых в лосьонах для кожи, солнцезащитных очках и оконных тонах, направлен на контроль воздействия ультрафиолетового света от солнца.

Некоторые насекомые (особенно пчелы) и птицы обладают достаточной зрительной чувствительностью в ультрафиолетовой области, чтобы реагировать на более длинные волны, и могут полагаться на эту способность в навигации. Чувствительность человека к ультрафиолетовому излучению ограничена из-за поглощения роговицей более коротких длин волн и сильного поглощения в хрусталике глаза на длинах волн более 300 нанометров.

Видимый свет – Радуга цветов, связанных со спектром видимого света, составляет лишь около 2,5% всего электромагнитного спектра и включает фотоны с энергией примерно от 1,6 до 3,2 электрон-вольт. Цвет не является свойством самого света, но восприятие цвета происходит в результате комбинированной реакции сенсорной системы глаз-нерв-мозг человека. Видимая область электромагнитного спектра находится в узком диапазоне частот, примерно от 384 до 769 терагерц ( ТГц, ) и воспринимается как цвета от темно-красного (длина волны 780 нанометров) до темно-фиолетового (400 нанометров).

За низкоэнергетическими длинноволновыми красными цветами (622-780 нм) последовательно следуют оранжевый (597-622 нм), желтый (577-597 нм), зеленый (492-577 нм), синий (455 нм). -492 нм), и, наконец, относительно высокоэнергетический, коротковолновый фиолетовый (455 нм и ниже). Простой способ запомнить порядок (по возрастанию частоты) цветов в спектре видимого света – использовать мнемоническое сокращение ROY G BIV ( R ed, O range, Y ellow, G reen , B lue, I ndigo, V iolet,), как учили миллионы школьников в течение почти столетия (хотя некоторые ученые уже не считают индиго подходящим цветом).

Разделение спектра видимого света на цветовые области на основе физических свойств несложно, но способ восприятия цвета не так очевиден. Восприятие цвета является результатом субъективных откликов системы восприятия человека на различные частотные области видимого спектра, и множество различных комбинаций световых частот может дать один и тот же зрительный отклик – «видение» определенного цвета. Люди могут воспринимать зеленый цвет, например, в ответ на комбинацию света нескольких цветов, ни один из которых не обязательно состоит из «зеленых» длин волн.

Видимый свет является основой всего живого на Земле и улавливается первичными продуцентами или автотрофами , такими как зеленые растения. Эти фундаментальные участники биологической пищевой цепи используют солнечный свет в качестве источника энергии для производства собственных продуктов питания и биохимических строительных блоков. В свою очередь автотрофы выделяют кислород, от которого зависят все животные, в качестве побочного продукта.

В 1672 году сэр Исаак Ньютон изучил взаимодействие видимого света со стеклянной призмой и впервые осознал, что белый свет на самом деле представляет собой смесь разных цветов, представляющих весь видимый световой спектр.Белый свет исходит от множества естественных и искусственных источников накаливания, включая солнце, химические реакции (например, огонь) и вольфрамовые нити накаливания. Широкий спектр излучения источников этого типа называется тепловым излучением. Другие источники видимого света, такие как газоразрядные трубки, способны излучать свет в узких, четко определенных частотных диапазонах (представляющих один цвет), которые зависят от конкретных переходов уровней энергии в атомах материала источника.Сильное восприятие отдельных цветов также является результатом определенных характеристик поглощения, отражения или пропускания материалов и объектов, которые освещаются белым светом. Спектр поглощения видимого ультрафиолетового света обычного синтетического красителя Iris Blue B показан на рисунке 6. Растворы этой ярко окрашенной органической молекулы поглощают свет как в видимой, так и в ультрафиолетовой областях спектра, и большинству людей кажется насыщенный, средне-синий цвет.

Инфракрасное излучение – часто сокращенно IR , большая полоса инфракрасных длин волн простирается от дальней красной части спектра видимого света (около 700-780 нанометров) до длины волны около одного миллиметра.При энергии фотонов в диапазоне от приблизительно 1,2 миллиэлектронвольта до чуть менее 1,7 электронвольт, инфракрасные волны имеют соответствующие частоты от 300 гигагерц ( ГГц, ) до приблизительно 400 терагерц ( ТГц, ). Этот тип излучения связан с тепловой областью, где видимый свет не обязательно обнаруживается или даже присутствует. Например, человеческое тело не излучает видимый свет, но испускает слабое инфракрасное излучение, которое ощущается и может быть записано как тепло.Спектр излучения начинается примерно с 3000 нанометров и выходит за пределы далекой инфракрасной области, достигая максимума примерно на 10000 нанометров.

Молекулы всех объектов, которые существуют при температуре выше абсолютного нуля (-273 градуса Цельсия), излучают инфракрасные лучи, и количество излучения обычно увеличивается с температурой. Примерно половина электромагнитной энергии солнца излучается в инфракрасной области, и предметы домашнего обихода, такие как обогреватели и лампы, также производят большое количество энергии. Лампы накаливания с вольфрамовой нитью накаливания являются довольно неэффективными источниками света, фактически излучающими больше инфракрасных, чем видимых волн.

Распространенными инструментами, основанными на обнаружении инфракрасного излучения, являются прицелы ночного видения, электронные детекторы, датчики на спутниках и самолетах, а также астрономические приборы. Так называемые ракеты с тепловым наведением , используемые в вооруженных силах, управляются инфракрасными датчиками. В космическом пространстве инфракрасные волны излучения отображают небесную пыль между звездами, о чем свидетельствуют большие темные пятна, видимые с Земли при просмотре Галактики Млечный Путь. В домашнем хозяйстве инфракрасное излучение играет привычную роль в нагревании и сушке одежды, а также позволяет дистанционно управлять гаражными воротами и компонентами домашних развлечений.

Инфракрасная фотография использует преимущества ближнего инфракрасного спектра для записи изображений на специализированную пленку, полезную для судебной экспертизы, дистанционного зондирования (например, аэрофотосъемки посевов и лесов), реставрации красок, спутниковой съемки и приложений для военного наблюдения. Любопытно, что инфракрасные фотографии солнцезащитных очков и других оптических поверхностей, покрытых веществами, блокирующими ультрафиолет и видимый свет, кажутся прозрачными и открывают глаза за, казалось бы, непрозрачными линзами. Инфракрасная фотопленка не регистрирует распределение теплового излучения (тепла), поскольку она недостаточно чувствительна к длинноволновому излучению (дальней инфракрасной области).На Рисунке 7 представлены несколько спутниковых изображений, полученных с помощью инфракрасных датчиков, двух американских городов и горы Везувий в Италии.

Микроволны – В настоящее время, являясь основой широко распространенной технологии, используемой в миллионах домашних хозяйств для нагрева пищи, микроволновые спектральные длины волн колеблются от приблизительно одного миллиметра до тридцати сантиметров (или приблизительно одного фута). Привлекательность использования микроволн при приготовлении пищи объясняется тем случайным обстоятельством, что молекулы воды, присутствующие в большинстве пищевых продуктов, имеют резонансную частоту вращения в пределах микроволнового диапазона.На частоте 2,45 гигагерца (длина волны 12,2 см) молекулы воды эффективно поглощают микроволновую энергию и впоследствии рассеивают излучение в виде тепла (инфракрасного). Если для хранения пищи в микроволновой печи используются емкости, состоящие из материалов, не содержащих воду, они будут оставаться прохладными, что значительно повысит удобство приготовления в микроволновой печи.

Микроволны представляют собой радиоволны самой высокой частоты и излучаются Землей, зданиями, автомобилями, самолетами и другими крупными объектами.Кроме того, низкоуровневое микроволновое излучение проникает в космос, где, как предполагается, оно было выпущено в результате Большого взрыва во время создания Вселенной. Высокочастотные микроволны являются основой для RADAR , аббревиатуры, обозначающей RA dio D etecting A nd R anging, метод передачи и приема, используемый для отслеживания больших объектов и расчета их скорости и расстояния. Астрономы используют внеземное микроволновое излучение для изучения Млечного Пути и других близлежащих галактик.Значительный объем астрономической информации был получен в результате изучения определенной длины волны излучения (21 сантиметр или 1420 мегагерц) незаряженных атомов водорода, которые широко распространены в космосе.

Микроволны также используются для передачи информации с Земли на орбитальные спутники в обширных сетях связи, для передачи информации с наземных станций на большие расстояния и для картографирования местности. Удивительно, но некоторые из первых электромагнитных экспериментов, проведенных Генрихом Герцем, Ягадисом Чандрой Бозом и Гульельмо Маркони (отцом современного радио), были выполнены с использованием излучения в микроволновом диапазоне или вблизи него.Ранние военные приложения использовали узкую ширину луча и увеличенную полосу модуляции, которую позволяли фокусируемые микроволны, которые было трудно перехватить и которые содержали относительно большие объемы информации. В научном сообществе есть некоторые разногласия по поводу потенциальных рисков для здоровья рака и термического повреждения тканей, связанных с постоянным и кумулятивным воздействием микроволнового излучения от вышек сотовой связи, протекающими микроволновыми печами и актом размещения мобильных телефонов рядом с мозгом во время использования.

Радиоволны – обширная радиочастотная часть электромагнитного спектра включает длины волн от 30 сантиметров до тысяч километров. Излучение в этом диапазоне содержит очень мало энергии, а верхний предел частоты (около 1 гигагерца) приходится на конец диапазона, в котором ограничено радио- и телевещание. На таких низких частотах фотонный (гранулированный) характер излучения не проявляется, и кажется, что волны передают энергию плавно и непрерывно.Не существует теоретического верхнего предела длины волны радиочастотного излучения. Например, низкочастотный (60 Гц) переменный ток, переносимый по линиям электропередач, имеет длину волны около пяти миллионов метров (или около 3000 миль). Радиоволны, используемые для связи, модулируются по одной из двух спецификаций передачи: амплитудно-модулированных ( AM ) волн, которые различаются по амплитуде длин волн, и частотно-модулированных ( FM ; см. Рисунок 8) волн, которые меняются в частоте длины волны.Радиоволны играют важную роль в промышленности, связи, медицине и магнитно-резонансной томографии ( MRI ).

Звук и видео в телевидении передаются через атмосферу с помощью более коротких радиоволн с длиной волны меньше метра, которые модулируются для вещания во многом подобно FM-радио. Радиоволны также излучаются звездами в далеких галактиках и могут быть обнаружены астрономами с помощью специализированных радиотелескопов. Были обнаружены длинные волны, длиной в несколько миллионов миль, излучающиеся к Земле из глубины космоса.Поскольку сигналы настолько слабые, радиотелескопы часто объединяются в параллельные группы, содержащие большое количество огромных антенных приемников.

Природа взаимосвязи между частотой (числом колебаний в единицу времени) и длиной волны (длиной каждого колебания) света становится очевидной при изучении широкого диапазона спектра электромагнитного излучения. Очень высокочастотное электромагнитное излучение, такое как гамма-лучи, рентгеновские лучи и ультрафиолетовое излучение, состоит из очень коротких длин волн и значительного количества энергии.С другой стороны, более низкочастотное излучение, включая видимое, инфракрасное, микроволновое и радиоволны, соответственно имеет более длинные волны с более низкими энергиями. Хотя электромагнитный спектр обычно описывается как пересекающий примерно 24 порядка по частоте и длине волны, нет никаких внутренних верхних или нижних границ для длин волн и частот этого непрерывного распределения излучения.

Соавторы

Мортимер Абрамовиц – Olympus America, Inc., Two Corporate Center Drive., Мелвилл, Нью-Йорк, 11747.

Thomas J. Fellers и Michael W. Davidson – Национальная лаборатория сильных магнитных полей, 1800 г. Ист. Пол Дирак Доктор, Университет штата Флорида, Таллахасси, Флорида, 32310.

Новый лазер открывает большую, малоиспользуемую область электромагнитного спектра

Терагерцовый частотный диапазон, который находится в середине электромагнитного спектра между микроволнами и инфракрасным светом, предлагает потенциал для высокоскоростной связи, сверхвысоких частот. – разрешение изображения, точное зондирование на большие расстояния для радиоастрономии и многое другое.

Но этот участок электромагнитного спектра остался недоступным для большинства приложений. Это связано с тем, что существующие источники терагерцовых частот громоздки, неэффективны, имеют ограниченную настройку или должны работать при низких температурах.

Теперь исследователи из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук им. Джона А. Полсона (SEAS) в сотрудничестве с Массачусетским технологическим институтом и армией США разработали компактный терагерцовый лазер с широкими возможностями настройки, работающий при комнатной температуре.

Исследование опубликовано в журнале Science.

«Этот лазер превосходит любой существующий лазерный источник в этой спектральной области и впервые открывает его для широкого спектра приложений в науке и технологиях», – сказал Федерико Капассо, профессор прикладной физики Роберта Л. Уоллеса и Винтон. Хейс, старший научный сотрудник по электротехнике в SEAS и соавтор статьи.

«Есть много потребностей в источнике, подобном этому лазеру, например, в таких вещах, как ближний радиус действия, широкополосная беспроводная связь, радар с очень высоким разрешением и спектроскопия», – сказал Генри Эверитт, старший технолог из U.Авиационно-ракетный центр С. Армия CCDC и соавтор статьи.

Эверитт также является адъюнкт-профессором физики в Университете Дьюка.

В то время как большинство электронных или оптических источников терагерцового диапазона используют большие, неэффективные и сложные системы для получения неуловимых частот с ограниченным диапазоном настройки, Капассо, Эверит и их команда использовали другой подход.

Чтобы понять, что они сделали, давайте рассмотрим основы физики работы лазера.

В квантовой физике возбужденные атомы или молекулы находятся на разных энергетических уровнях – представьте их как полы в здании. В типичном газовом лазере большое количество молекул захватывается между двумя зеркалами и переводится на возбужденный энергетический уровень, то есть на более высокий этаж в здании. Достигнув этого этажа, они распадаются, падают на один энергетический уровень и испускают фотон. Эти фотоны стимулируют распад большего количества молекул, поскольку они отскакивают назад и вперед, что приводит к усилению света. Чтобы изменить частоту испускаемых фотонов, нужно изменить уровень энергии возбужденных молекул.

Итак, как изменить уровень энергии? Один из способов – использовать свет. В процессе, называемом оптической накачкой, свет поднимает молекулы с более низкого энергетического уровня на более высокий – как квантовый лифт. В прежних терагерцовых молекулярных лазерах использовались оптические насосы, но их настраиваемость была ограничена несколькими частотами, что означало, что лифт поднимался только на небольшое количество этажей.

Прорыв в этом исследовании заключается в том, что Капассо, Эверит и их команда использовали хорошо настраиваемый квантовый каскадный лазер в качестве оптической накачки.Эти мощные портативные лазеры, совместно изобретенные Капассо и его группой в Bell Labs в 1990-х годах, способны эффективно производить широко настраиваемый свет. Другими словами, этот квантовый лифт может останавливаться на каждом этаже здания.

Теория оптимизации работы нового лазера была разработана Стивеном Джонсоном, профессором прикладной математики и физики Массачусетского технологического института, его аспирантом Фань Ван и Эвериттом.

Исследователи объединили квантовую каскадную лазерную накачку с лазером на закиси азота (он же веселящий газ).

«Оптимизировав резонатор и линзы лазера, мы смогли получить частоты, охватывающие почти 1 ТГц», – сказал Арман Амиржан, аспирант в группе Капассо и соавтор статьи.

«Молекулярные терагерцовые лазеры, накачиваемые квантовым каскадным лазером, обладают высокой мощностью и широким диапазоном настройки при удивительно компактной и надежной конструкции», – сказал лауреат Нобелевской премии Теодор Хэнш из Института квантовой оптики Макса Планка в Мюнхене, который не принимал участия в этом исследовании. .«Такие источники откроют новые возможности для применения от зондирования до фундаментальной спектроскопии».

«Что интересно, так это то, что концепция универсальна, – сказал Поль Шевалье, научный сотрудник SEAS и первый автор статьи. «Используя эту структуру, вы можете создать терагерцовый источник с газовым лазером практически на любой молекуле, и возможности применения огромны».

«Это единственный в своем роде результат», – сказал Капассо. «Люди и раньше знали, как делать терагерцовый лазер, но не могли сделать его широкополосным.Только после того, как мы начали это сотрудничество, после случайной встречи с Генри на конференции, мы смогли установить связь, что можно было бы использовать широко настраиваемую накачку, такую ​​как квантовый каскадный лазер ».

Этот лазер может использоваться во всем: от улучшенной визуализации кожи и рака груди до обнаружения наркотиков, безопасности в аэропортах и ​​сверхвысокой пропускной способности оптических беспроводных линий связи.

«Я очень взволнован возможностью использования этого лазера для картирования межзвездной среды», – сказал Эверитт.«У молекул есть уникальные спектральные отпечатки пальцев в терагерцовом диапазоне, и астрономы уже начали использовать эти отпечатки пальцев для измерения состава и температуры этих первичных облаков газа и пыли. Более качественный наземный источник терагерцового излучения, такой как наш лазер, сделает эти измерения еще более чувствительными и точными ».

Гарвардский отдел развития технологий защитил интеллектуальную собственность, относящуюся к этому проекту, и изучает возможности коммерциализации.

Соавторы исследования: Ван, Марко Пиккардо (Гарвард) и Джонсон. Он был частично поддержан Исследовательским офисом армии США и Национальным научным фондом.

Картирование электромагнитных волн, генерируемых автономными автоколебательными устройствами

На рисунке 2 показана базовая конфигурация измерительной установки. Наша система состоит из двух частей: части ¹³ неполяриметрического преобразования частоты ЭО с понижением частоты и части подавления фазового шума.Часть неполяриметрического ЭО с понижающим преобразованием частоты состоит из 1,55 мкм м телекоммуникационных компонентов. Датчик EO 1 можно перемещать для картирования, тогда как датчик EO 2 фиксируется в контрольной точке для измерения опорной фазы.

Рисунок 2

Базовая конфигурация измерительной установки. ( a ) Блок-схема системы и ( b ) принцип неполяриметрического преобразования частоты ЭО с понижением частоты.

Для преобразования с понижением частоты EO используется гребенка оптических частот (OFC) для сигнала гетеродина, как показано на рис.2 (б). Каждая гребенчатая мода модулируется по фазе измеряемым радиочастотным сигналом в кристалле EO, и генерируются боковые полосы. Принцип преобразования с понижением частоты основан на когерентном обнаружении сгенерированной боковой полосы ¹⁴ . Одна из боковых полос и соседняя пара гребенчатых мод выделяются оптическим фильтром и обнаруживаются низкоскоростным фотодиодом. Частота сигнала промежуточной частоты (ПЧ) равна \ ({{\ rm {f}}} _ {{\ rm {IF}}} = {{\ rm {f}}} _ {2} – {{ \ rm {f}}} _ {1} – {{\ rm {f}}} _ {{\ rm {RF}}} = {{\ rm {mf}}} _ {{\ rm {CS}} } – {{\ rm {f}}} _ {{\ rm {RF}}} \), где m – индекс разделения мод, f _cs – разделение гребенчатых мод, а f _RF – частота радиосигнала.Частота IF-сигнала колеблется, отражая относительные колебания частоты между RF-сигналом f _RF и LO-сигналом mf _CS . С другой стороны, преобразованные по частоте IF signal1 и signal2 имеют одинаковые частотные колебания. Это синфазное колебание частоты, в более общем смысле синфазный фазовый шум, компенсируется во второй части системы для извлечения относительной разности фаз поля, измеренной в двух разных точках ¹⁵ .

Пусть \ ({A} _ {1} \, \ cos ({\ omega} _ {IF} (t + {\ rm {\ Delta}} {\ rm {\ tau}}) + {\ rm {\ Delta}} \ varphi + {\ varphi} _ {n} (t + {\ rm {\ Delta}} {\ rm {\ tau}}) \) и \ ({A} _ {2} \, \ cos ({\ omega} _ {IF} t + {\ varphi} _ {n} (t)) \) будет IF signal1 и IF signal2, соответственно, где Δτ и Δ ϕ – временная разность и относительная фаза между РЧ-сигнал, измеренный с помощью зонда EO 1 и EO 2, соответственно; ϕ _n – относительное колебание фазы между сигналами RF и LO.Для простоты мы предполагаем, что временной задержки нет, Δτ = 0. На этапе подавления фазового шума частота сигнала ПЧ1 преобразуется с повышением частоты на f _s с использованием первого электрического смесителя. С помощью электрического полосового фильтра (BPF) мы извлекли компоненты суммы, которые пропорциональны \ ({A} _ {1} \, \ cos (({\ omega} _ {IF} + {\ omega} _ {s }) t + {\ rm {\ Delta}} \ varphi + {\ varphi} _ {n} (t) + {\ varphi} _ {na} (t)) \), где ϕ _на ( t ) – это аддитивный фазовый шум, наложенный BPF из-за частотных флуктуаций сигнала IF1.Этот преобразованный с повышением частоты сигнал затем смешивается с сигналом ПЧ2 для генерации сигнала, пропорционального \ ({A} _ {1} {A} _ {2} \, \ cos ({\ omega} _ {s} t + {\ rm {\ Delta}} \ varphi + {\ varphi} _ {na} (t)) \). При этом двухступенчатом процессе смешения общий фазовый шум ϕ _n ( t ), исключается и только разность фаз между сигналами IF и signal2, Δ ϕ и аддитивный фазовый шум, ϕ _на ( t ), добавленные в систему, измеряются путем обнаружения захвата с помощью местного опорного сигнала, f _s .