Что такое лазер и как он работает. Объясняем простыми словами

Проще говоря, представьте себе обычный фонарик. Он может освещать предметы на расстоянии до 100 м. Дальше свет рассеивается. А лазер — это как суперфонарик. Он светит очень ярко, но его свет особенный. Он не рассеивается, а идёт ровной тонкой линией — лучом. И этот луч может быть разного цвета — красным, зелёным, синим или даже невидимым для глаз.

Принцип работы лазера

Лазер работает на основе принципа вынужденного излучения. Представьте себе атомы — микроскопические шарики, из которых состоят разные вещества. В спокойном состоянии атомы неактивны, как будто спят. Но если мы подадим энергию, например в виде света или электричества, некоторые атомы «проснутся» и перейдут в возбуждённое состояние.

Возбуждённые атомы нестабильны и хотят вернуться в спокойное состояние. Когда они это делают, они испускают порцию энергии в виде фотона — маленькой частицы света.

Внутри лазера находится специальная трубка (резонатор), наполненная атомами. Когда мы подаём энергию в трубку, многие атомы переходят в возбуждённое состояние. Затем один фотон, выпущенный возбуждённым атомом, сталкивается с другим возбуждённым атомом, заставляя его тоже испустить фотон. Эти два фотона летят рядом, как два синхронно прыгающих шарика.

Фотоны отражаются от зеркал на концах трубки и снова проходят через неё, сталкиваясь с другими возбуждёнными атомами и вызывая появление новых фотонов. В результате получается эффект лавины: всё больше и больше фотонов летят в одном направлении и колеблются синхронно. Они усиливают друг друга, создавая очень яркий и чистый луч света — лазерный луч.

Обычно в лазерах используются атомы этих веществ:

• газы (гелий, неон, аргон или углекислый газ);
• кристаллы (рубин или гранат);
• полупроводники (арсенид галлия или фосфид индия);
• жидкости (например, растворы красителей);
• оптические волокна.

Выбор материала зависит от желаемой длины волны (цвета) лазерного луча и других характеристик.

Где используют лазеры

Часто мы видим использование лазеров на концертах, в ночных клубах и на шоу, но вообще-то их используют не только для развлечений.

Медицина

Лазеры используются в хирургии, чтобы производить точные операции. Например, по корректировке зрения. Есть несколько методов такой операции, один из популярных выглядит так: с помощью лазера врач срезает небольшой участок роговицы глаза, оттуда испаряется ненужная влага, а форма роговицы изменяется до нормальной.

С помощью операции лазером можно исправить дальнозоркость, близорукость и даже астигматизм. Швы после лазерной коррекции зрения не накладывают: роговица заживает сама. Сразу после операции в глаза капают специальные капли, также могут потребоваться тёмные очки.

Также лазеры используют в гинекологии. С их помощью прижигают эрозию шейки матки. Суть манипуляции заключается в обработке повреждённого участка слизистой высокочастотным лазерным лучом. Получается ожог, который потом заживает, сходит травмированная корочка, и ткани полностью восстанавливаются.

Лечение лазером используют в стоматологии — он помогает бороться с кариесом. Также лазером можно отбелить зубы на пять-семь тонов или убрать зубной камень, провести гигиеническую чистку. Эти манипуляции проходят практически безболезненно, тогда как другие способы часто вызывают неприятные ощущения. Врачи также лечат варикоз и геморрой лазером.

Косметология и эстетическая медицина

С помощью лазера можно удалить сосуды и сосудистые звёздочки, которые портят внешний вид тела и лица. На кожу наносится специальный гель, после чего подают импульсы лазера. Световая энергия преобразуется в тепловую, возникает микроожог, в результате чего сосуд схлопывается изнутри.

Популярная услуга — удаление лазером нежелательных волос на теле. Выглядит это так: когда аппарат касается кожи, его лазерный луч воздействует на пигмент волос меланин. В результате волосяные фолликулы нагреваются и разрушаются. Благодаря этому рост уже имеющихся волос замедляется, а новые не появляются. Но это не навсегда, поэтому после курса изредка нужно делать поддерживающие процедуры. Услуга называется «эпиляция лазером».

Также с помощью лазера делают лазерную шлифовку лица. Суть процедуры в том, что кожу обрабатывают с помощью лазерного луча, который снимает верхний ороговевший слой. Процесс заживления долгий и болезненный, но те, кто выбирают эту процедуру, видимо, довольны результатом — обновлённой мягкой кожей.

Ещё одна популярная услуга — сведение тату лазером. Это популярный способ избавиться от следов «ошибок молодости».

Промышленность

Лазерные технологии внедряют в различных отраслях, включая авиацию, электронику и автомобилестроение. Порой делают это нестандартно. Например, компания Илона Маска Tesla придумала, как использовать лазеры в качестве стеклоочистителей для машин. Благодаря устройству в нише под капотом система сама распознаёт, где именно скопилась грязь и в каком количестве, а затем настраивает интенсивность лазера, который сожжёт её.

Лазером можно разрезать и сваривать различные материалы. А ещё их используют для маркировки предметов, то есть наносят надписи и логотипы. Кроме этого, есть и лазерная гравировка: с помощью луча мастера-ювелиры создают сложные узоры и изображения на драгоценных материалах.

Лазеры в военной промышленности (боевые лазеры)

О создании различных боевых лазеров заявили свыше десятка стран: помимо США и России, в «лазерный клуб» вошли Великобритания, Германия, Израиль, Индия, Китай, КНДР, Турция, Франция, Япония.

Соединенные Штаты и Германия неоднократно испытывали лазерное оружие высокой мощности, установленное на кораблях.

В 1951-м Фабрикант подал заявку на изобретение нового метода усиления электромагнитного излучения, то есть способа сконструировать среду, в которой возможна работа лазера. Однако его заявку рассматривали почти восемь лет. Только в 1959 году Фабриканту выдали авторское свидетельство «на способ усиления электромагнитного излучения (ультрафиолетового, видимого, инфракрасного и радиодиапазонов волн), основанный на использовании явления индуцированного испускания».

Правда, к тому моменту первые успешные шаги к созданию работающего лазера сделали уже совсем другие люди. А именно американские учёные Чарльз Таунс, Артур Шавлов, Теодор Майман и советские физики-академики Николай Басов и Александр Прохоров. Физики практически одновременно, но независимо друг от друга создали первые рабочие модели.

Так, в 1952 году Басов и Прохоров рассказали всему миру, что возможно создание микроволнового лазера, работающего на аммиаке, а американские разработчики стали создавать лазеры на калии.

Правда, тогда лазер назывался «мазер» — от английского Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation, что переводится как «усиление микроволн посредством вынужденного излучения». Спустя время и физики решат, что эффективнее увеличивать в квантовых генераторах не микроволны, а свет (Light). Тогда «мазер» заменят на «лазер», а в аббревиатуре «М» на «L».

Примерно через год (1961) первый лазер запустили в СССР на базе Государственного оптического института (ГОИ). В 1963 году советским учёным удалось провести первую в мире передачу телевизионного сигнала по лучу гелий-неонового лазера через атмосферу.

Басов, Прохоров и Таунс были удостоены Нобелевской премии по физике в 1964 году за свои работы в области квантовой электроники, включая создание лазера. Хотя многие считают именно Теодора Маймана изобретателем лазера в современном его понимании, Нобелевскую премию он не получил.

Факт

Лазерные указки часто используют как игрушку для животных. Как рассказала зоопсихолог Милена Фаустова, это представляет опасность для кошек и собак. Проблема таких развлечений в том, что после игры питомец по факту не получает ничего — точку от лазера или рыбку на экране он не может потрогать лапой или попробовать на зуб. Это приводит к тревожности животного, которое начинает сомневаться во всём и доставлять проблемы владельцам.

Эта статья — одна из тысяч в «Энциклопедии "Секрета фирмы"». В этом проекте мы простыми словами рассказываем о сложных терминах и явлениях. Посмотрите другие статьи «Энциклопедии», чтобы лучше понимать мир, в котором мы живём.