Световые указки используются для обучения, в промышленности и как развлекательные средства. Указки могут представлять собой аккумуляторные элементы и устройства с твердотельными лазерами внутри. В зависимости от цвета различается стоимость и мощность лазерных указок.
Лазерные указки различных цветов
| Значение | Параметр |
| Начало промышленного производства | 2005 год |
| Диапазон мощности | 1-100 мВт |
| Диапазон КПД | 1-25% |
| Дальность | От 1 до 190 километров |
| Тип питания | Аккумуляторы, твердотельные диоды |
Световая указка красного цвета
Красные лазерные указки — самые дешевые в производстве, так как цветовой спектр не требует энергозатрат и имеют следующие характеристики:
- элемент питания — обычные батарейки;
- мощность такого луча колеблется в пределах от 1 до 100 мВт;
- срок службы таких изделий не превышает 1-2 лет.
Смотрите также статью Что такое КПСС и его история
Со временем длина волны красного лазера сокращается, лучи теряют мощность из-за снижения запаса прочности аккумуляторных элементов или из-за выгорания диодов.
Красные лазеры
Кто изобрел лазер?
Первые открытия, подарившие человечеству лазер, были сделаны еще на заре XX века.
Эйнштейн
Еще в 1917 году Альберт Эйнштейн написал революционную работу, в которой заложил основы квантово-механического принципа действия лазера. Революционность заключалась в том, что автор предсказал абсолютно новое явление в физике — вынужденное излучение. Из теории Эйнштейна следует, что свет может излучаться и поглощаться не только спонтанно. Существует также возможность вынужденного (или стимулированного) излучения. Это значит, что возможно «принудить» электроны излучать свет необходимой длины волны в одно и то же время.
Майман
Реализовать эту идею на практике удалось только в 60-е годы двадцатого века. Самый первый лазер создал калифорнийский физик Теодор Майман 16 мая 1960 года. В работе этого лазера использовались кристалл рубина и резонатор Фабри — Перо. Лампа-вспышка являлась источником накачки. Работа лазера была импульсной, волна имела длину 694,3 нм.
Басов, Прохоров и Таунс
В 1952 году академики из СССР Николай Басов и Александр Прохоров рассказали всему миру, что возможно создание микроволнового лазера, работающего на аммиаке. Эта же идея параллельно и независимо развивалась физиком из Америки Чарлзом Таунсом. Он создал и показал, как работает такой лазер, в 1954 году. Спустя десятилетие, в 1964 году, все трое удостоились за эти достижения Нобелевской премии по физике.
Наши дни
Сегодня мы можем наблюдать очень интенсивное развитие лазеров. Практически ежегодно изобретаются новые их виды — химические, эксимерные, полупроводниковые, лазеры на свободных электронах.
Зеленые лазерные указки (green laser)
Устройства, оснащенные зеленым цветом, больше воспринимаются человеческим глазом, по сравнению со всеми остальными, однако, это правило применимо лишь в световой день, в ночное время суток зеленый цвет воспринимается хуже.
Лазер с зеленым лучом имеет следующие особенности:
- основа для использования — твердотелые лазеры, оснащенные диодами;
- коэффициент полезного действия — 20 % от номинальной мощности;
- питание — таблеточная батарейка;
- начало выпуска — 2006 год наряду с иными цветовыми элементами;
- длина волны зеленого лазера — 532 нм.
Световая указка зеленого цвета
Смотрите также статью Что такое электрошокер и как выбрать парализатор
Применение лазеров
Свойства лазерного излучения уникальны. Это превратило лазеры в незаменимый для самых различных областей науки и техники инструмент. Кроме этого, лазеры широко используются в медицине, в быту, в индустрии развлечений, в сфере транспорта.
Технологические лазеры
- Благодаря огромной мощности лазеры непрерывного действия активно используются для того, чтобы разрезать, сваривать или спаивать детали, изготовленные из самых различных материалов. При высокой температуре лазерного излучения становится возможным сваривать даже те материалы, которые нельзя соединить между собой другими методами. Например, сваривание металла и керамики для получения нового материала — металлокерамики, обладающего уникальными свойствами.
- Для того чтобы изготовить микросхемы, используется лазерный луч, который способен сфокусироваться в одну мизерную точку, имеющую диаметр порядка микрона.
- Еще одно замечательное свойство лазерного луча — его идеальная прямота. Это позволяет использовать его как самую точную «линейку» в строительстве. Также в строительстве и геодезии при помощи импульсных лазеров производят измерения огромных расстояний на местности, засекая время, за которое световой импульс продвигается от одной точки до другой.
Лазерная связь
Появившиеся лазеры вывели на принципиально новый уровень технику связи и записи информации.
Радиосвязь, развиваясь, постепенно переходила на все более короткие длины волн, поскольку было доказано, что высокие частоты (с наименьшей длиной волны) предоставляют каналу связи наибольшую пропускную способность. Настоящим прорывом стало понимание того, что свет — это такая же электромагнитная волна, просто короче во множество десятков тысяч раз. Следовательно, через лазерный луч возможно передавать объем информации, в десятки тысяч раз превосходящий объем, передаваемый высокочастотными радиоканалами. В результате этого были усовершенствованы различные виды связи по всему миру.
Также при помощи луча лазера записываются и воспроизводятся компакт-диски со звуками — музыкой, и изображениями — фото и фильмами. Индустрия звукозаписи, получив такой инструмент, сделала гигантский шаг вперед.
Применение лазеров в медицине
Лазерные технологии широко применяются как в хирургии, так и в терапевтических целях.
- Например, благодаря его уникальным возможностям, луч лазера возможно легко ввести сквозь глазной зрачок и «приварить» отслоившуюся сетчатку, исправить в труднодоступной области глазного дна существующие дефекты.
- В современной хирургии при сложных операциях используется лазерный скальпель, который минимизирует повреждение живых тканей.
- Лазерное излучение небольшой мощности ускоряет регенерацию поврежденных тканей. Оно также оказывает воздействие, по свойствам похожее на иглоукалывание, практикуемое восточной медициной, — лазерная акупунктура.
- В косметологии активно используются диодные и пикосекундные лазеры.
Лазерная указка синего цвета
Лазерные указки синего цвета имеют схожий с зеленым принцип управления и осуществления работы. Такие указки имеют характеристики:
- длина пучка — варьируется в зависимости от оттенка и для ярко-синего цвета составляет 445 нм, для тусклого (бирюзового) 473 нм, а для голубого 490 нм;
- вероятный вред для здоровья человека — самый большой среди всех цветов, используемых в указках;
- коэффициент полезного действия — 3 %, что является одним из самых маленьких показателей;
- основной элемент — твердотельные диоды.
Указка синего цвета
Питание, драйверы, батарейки и аккумуляторы
Лазерный диод может питаться напрямую от батареи только при очень малой мощности. Для диодов от 50 милливатт требуется специализированный блок питания. Главная его функция — стабилизация напряжения. Даже изменение на 0,1 вольт может резко сократить срок службы лазерного диода.
Тип блока питания определяет мощность лазерной указки. Он всегда делается с запасом мощности. Кстати, блок питания является одним из самых простых и дешевых элементов указки. Типовой вариант — простой драйвер питания на круглой плате поперек корпуса. Точно так же делаются блоки питания светодиодных фонариков или, наоборот, повышающие преобразователи, например, для компактных люминесцентных ламп. Из аккумуляторов используются 18650, 16340, 32650. Батарейки — обычные АА, ААА, С и D. В указках-брелках часто встречаются часовые батарейки.
ЛУ желтого цвета
Световые указки желтого цвета имеют меньшее распространение среди остальных и обладают следующими характеристиками:
- длина пучка — 594 нм (один из самых больших показателей);
- коэффициент полезного действия — менее 1 % — самый низкий показатель в классе;
- срок эксплуатации — 2-4 года;
- принцип работы — твердотельные диоды;
- разработка — 2008 год.
Указка желтого цвета
ЛУ фиолетового цвета
Смотрите также статью Швейцарские ножи и как их выбрать
Особый вид световой указки, связанный с возникновением новой технологии оцифровки носителей Blu-ray. Такие указки имеют следующие функции:
- длина светового пучка — 405 нм;
- срок ввода в эксплуатацию — 2008;
- срок службы — 3-5 лет;
- принцип действия — твердотельные диоды высокой мощности.
Указка фиолетового цвета
Выводы
Мы нисколько не преувеличиваем, когда говорим, что, появившись в середине XX века, лазеры сыграли в нашей жизни такую же значимую роль, как электричество и радио. Лазер проник практически во все области деятельности человека, и если вдруг изъять его, то мир перестанет быть таким привычным и комфортным. Даже текст этой статьи, читаемый вами сегодня с компьютера или смартфона, доступен благодаря полупроводниковым лазерам, активно используемым в новейших оптических средствах связи. Без лазеров невозможно представить компьютеры, а значит, и огромный пласт современной жизни человека. Будучи очень интересно устроенным, лазер открывает перед современной наукой новые перспективы развития. Свойства его невероятно многогранны, и можно смело сказать, что лазерный луч «высвечивает» себе путь абсолютно во всех сферах человеческой жизни, делая ее качественнее и счастливее!
Применение лазерных указок
Применение лазерных указок имеет широкий спектр и распространяется на многие сферы жизни. Чаще всего они используются:
- для подсвечивания целей в коллиматорных прицелах огнестрельного оружия (пистолеты, винтовки, автоматы), а также как целеуказатели для работы артиллерии или авиации на небольших расстояниях;
- в научной деятельности такие указки используются для выявления газа в жидкостях при невозможности распознать его обычным человеческим глазом;
- китайский зеленый лазер применяется в астрономических исследованиях. Такие указки используются для исследования видимых для глаза границ и обозначения космических объектов, их фиксации. В темное время суток указки различных спектров ученые используют для определения направления звезд, фиксируя его направленным лучом света;
- в образовательной деятельности такие указки применяют для демонстрации презентаций, лекций и научных семинаров, требующих демонстрации с помощью цветовой указки;
- в политической и общественной деятельности указки используются для презентаций, для объяснения схем общественных процессов и концентрации внимания зала, публики, собрания.
Смотрите также статью Коллиматорные прицелы и принцип работы
Указки трех популярных цветов
Устройство лазера
Три компонента — рабочее тело (рабочая среда), механизм накачки и оптический резонатор — являются общими для каждого лазера. Они определяют тип лазера и то, чего вы можете достичь с его помощью. Далее мы расскажем обо всех трех компонентах более подробно.
Рис. 2. Устройство лазера: оптический резонатор с рабочей средой и ходом лучей
Рабочее тело (рабочая среда)
Вы генерируете фотоны в рабочей среде лазера. Это излучение происходит через оптические переходы в возбужденных атомах или молекулах. В результате этих переходов частицы переходят в энергетически более благоприятные состояния. Важнейшим условием лазерной среды является возможность создания эффекта инверсии электронных населённостей.
Для этого он должен иметь как минимум три энергетических уровня. Энергетические уровни — это собственные значения энергии квантово-механических систем. Атом или молекула может находиться только на одном из этих уровней. Самый низкий уровень — это основное состояние, а все остальные — возбужденные состояния.
Инверсия электронных населённостей означает, что верхнее состояние оптического перехода с большей вероятностью будет занято, чем нижнее. Такие среды могут быть газообразными, жидкими или твердыми.
Механизм накачки
Оптическая накачка — это процесс, с помощью которого вы добавляете энергию в среду. Это делается путем возбуждения рабочей среды с помощью внешнего источника энергии, например, других лазеров или лампы-вспышки. Таким образом, достигается инверсия электронных населённостей без того, чтобы процесс накачки конкурировал с вынужденным излучением. Поэтому, накачивается другой квантово-механический переход, нежели тот, который в конечном итоге используется для излучения фотонов.
Оптический резонатор
С помощью оптического резонатора вы определяете скорость излучения и свойства фотонов. С помощью отражения вы позволяете отдельным фотонам пройти через среду несколько раз. Это индуцирует дальнейшее излучение в нужном направлении и позволяет усилить свет.
Для этого фотоны должны распространяться перпендикулярно отражающей среде. Фотоны, испускаемые таким образом, имеют те же квантовые числа, что и запущенные фотоны. Любые спонтанные выбросы, которые могут произойти, сами по себе не генерируют никаких дальнейших фотонов, так как очень маловероятно, что они будут излучаться перпендикулярно отражающей среде.
Благодаря такому выбору достигается очень узкое направление лазерного луча.
Безопасность лазеров
Безопасность использования лазеров, неотъемлемая часть их повседневной эксплуатации, такие приборы не являются безобидными и могут нести определенную опасность, зависящей от того, как устроена лазерная указка. Опасность у зеленого луча самая высокая.
Негативные последствия, когда используется самая мощная лазерная указка без соблюдения техники безопасности могут быть следующими:
- при попадании в глаза, даже на непродолжительное время, свет лазера может вызвать ожог сетчатки глаза, что приведет к нарушению зрения или же его частично потере. Такое попадание может повлечь за собой фатальные последствия, если применить такой луч для летчиков или водителей автомобиля (в 2013 году в России массовыми случаи стало ослепление летчиков гражданской авиации на подлете к городам, что могло привести к крушению самолетов);
- повреждения кожного покрова — при использовании мощных лазеров с сильным световым пучком на протяжении нескольких минут на открытом участке кожи может остаться ожог 2-3 степени.
Эти последствия повлекли за собой законодательный запрет на владение лазерными указками на территории некоторых стран, и из них же вытекают меры предосторожности при использовании таких средств:
- не светить в глаза — при использовании указки запрещается даже на короткий промежуток времени направлять световой пучок человеку в глаза во избежание ожога сетчатки;
- не направлять на открытые участки тела — при использовании мощных лазеров это также может вызвать ожог поверхности тела;
- не облучать водителей транспортных средств — это может привести к авариям на транспорте и имущественный вред, вплоть до летального исхода.
Фото лазерной указки
Функции лазера
Вы возбуждаете атомы или молекулы лазерной среды до более высоких уровней энергии. Таким образом, вы создаете лазерный луч. Эти уровни энергии имеют максимально возможное среднее время распада. Таким образом, вы сохраняете вероятность спонтанной эмиссии как можно более низкой, и энергия процесса накачки сохраняется дольше. Непрерывная откачка создает желаемую инверсию электронных населённостей. Это означает, что больше частиц находится в одном из своих возбужденных состояний, чем в основном состоянии.
Теперь для того, чтобы возбужденный атом вернулся из своего возбужденного состояния в основное, необходимо лишь стимулировать его фотоном. При этом он испускает фотон в том же направлении и с той же энергией, что и исходный фотон. В данном случае равная энергия означает, что новый фотон имеет ту же частоту и длину волны, что и исходный фотон. Фазовое положение обоих фотонов также одинаково.
Как описано ранее, фотоны отражаются в резонаторе и проходят через среду несколько раз. Этот процесс приводит к цепной реакции, в ходе которой производится все больше и больше фотонов, которые, в свою очередь, производят все больше и больше фотонов и так далее…
Одна сторона резонатора частично проницаема, что позволяет лазерному лучу отклоняться. В результате отражающее свойство резонатора сохраняется, и происходит дальнейшее излучение.
Спонтанное излучение
Спонтанное излучение — это квантово-механическое явление. Это происходит, когда атомы или молекулы испускают фотоны при переходе с более высоких энергетических уровней на более низкие. Предсказать этот тип излучения невозможно. Это процесс распада, возникновение которого можно оценить с определенной вероятностью.
Итак, спонтанное излучение — это излучение, испускаемое при самопроизвольном переходе атома из возбужденного состояния в основное.
Спонтанное излучение разных атомов происходит некогерентно, так как каждый атом начинает и заканчивает излучать независимо от других.
Математически это можно выразить следующим образом:
Формула гласит, что число N спонтанных выбросов или возбужденных частиц на объем V и время t пропорционально плотности числа частиц n в возбужденном состоянии.
Вынужденное излучение
Работа лазера основана на вынужденном излучении. Здесь излучение фотона не происходит спонтанно.
Напомним, что при переходе атома из стационарного состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией он излучает квант энергии (фотон). Такое излучение может быть самопроизвольным . При этом атомы излучают фотоны разной частоты, что определяется переходами на разные энергетические уровни.
Можно сделать так, что атом, находящийся в возбуждённом состоянии, будет излучать энергию под воздействием внешних факторов, например под действием падающего на него света. Такое излучение называют вынужденным (индуцированным).
Предположим, что атом может перейти из состояния с энергией 2 в состояние с энергией 1 и испустить при этом фотон с энергией hv = E2 — E1. Если он взаимодействует с фотоном такой же частоты, то вероятность вынужденного излучения достаточно велика и в итоге получаются два фотона одинаковой частоты. Таким образом, излучаемая световая волна не отличается от той, которая падает на атом. Она имеет такую же частоту и фазу.
[2]
Для создания вынужденного излучения необходимо увеличить число атомов, имеющих высокий энергетический уровень. Осуществить это можно, используя вещества, атомы которых могут находиться в возбуждённом состоянии достаточно долго, не излучая самопроизвольно.
Продольные моды
В зависимости от конструкции резонатора, в нем может образовываться различное количество стоячих волн определенной длины. Таким образом, определенные длины волн и их кратные значения могут быть особенно усилены таким резонатором. Такие различные формы колебаний называются модами. Имея число продольных мод, вы знаете, сколько волн может колебаться в резонаторе. Колебания вдоль направления распространения излучения называются продольными. Это пики и долины интенсивности с интервалом в половину длины волны.
В лазерах различают одномодовые лазеры, которые колеблются почти на одной частоте, и многомодовые лазеры.
Поперечные моды
Поперечная мода относится к распределению фазы волны перпендикулярно направлению распространения. Следовательно, режим, который не перпендикулярен зеркалам резонатора, приводит к сдвигу частоты лазера. Причиной этого является увеличение длины резонатора, что теперь приводит к образованию стоячих волн с узлами в профиле лазера.
Если вы используете цилиндрический резонатор, ваш луч в идеале имеет гауссову форму. При использовании мод, не перпендикулярных зеркалам резонатора, вместо них формируются профили с радиальной и угловой зависимостью. Они изменяют длину резонатора, поскольку длина пути между зеркалами изменяется. Это может исказить спектры продольных мод, поскольку различные поперечные моды накладываются друг на друга.
Какая лазерная указка самая мощная
Рынок лазерных указок с каждым годом насыщается новыми моделями, тенденцией которых является увеличение мощности за счет использования современных светодиодов.
Передовыми в этом плане производителями является китайская компания Wicked Lasers, которая выпускает самые мощные лазеры, способные передавать луч на расстояние десятков и сотен километров. Дальность луча зависит от того, из чего состоит лазерная указка.
Лазерная указка производства Wicked Lasers
В 2022 году установлено, какой лазер мощнее. Зафиксирован рекордный случай передачи зеленого светового пучка на расстояние 190 километров.
Смотрите также статью Роль джихада в истории России и мира
Свойства лазерного излучения
Свет от лазера имеет особенные и очень ценные свойства, выгодно отличающие его от света обычных, тепловых источников.
- Излучение лазера когерентно и практически полностью монохроматично. Ранее подобные свойства были лишь у радиоволн от хорошо стабилизированных передатчиков.
- Распространение вынужденного излучения происходит только вдоль оси резонатора. В связи с этим расширение лазерного луча очень слабое, имеет почти незаметную расходимость (несколько угловых секунд).
- Благодаря вышеназванным свойствам лазерный луч способен фокусироваться в точку невероятно маленького размера. Энергия в точке его фокуса имеет огромную плотность.
- По причине монохроматичности излучения и чрезвычайной плотности энергии, лазерное излучение может достигать очень высоких температур. К примеру, температура излучения импульсного лазера мощностью порядка петаватта (1015 Вт) составляет более 100 миллионов градусов.
