Что такое лазер и как он работает. Объясняем простыми словами

Лазер — устройство, которое излучает концентрированный луч света. Лазерный луч такой мощный и сфокусированный, что может проходить сквозь некоторые предметы, нагревать их или даже разрезать. Это делает лазеры полезными в промышленности, медицине, научных исследованиях, военном деле и других областях.

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.

Правда ли, что лазерную коррекцию лучше не делать летом? Отвечает офтальмолог

Новый взгляд. Врач рассказал, кому нельзя делать лазерную коррекцию зрения

Морковь не поможет. Врачи развеяли популярные мифы об улучшении зрения

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».

Может ли лазерная эпиляция вызвать рак? Мнение врачей

Кому нельзя делать лазерную эпиляцию? Список внушительный

Депиляция или эпиляция? Россиянкам раскрыли тонкости удаления волос на теле

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.

Лазерные технологии представляют большой интерес для военных по нескольким причинам. - Лазеры можно эффективно использовать на больших расстояниях, это делает их привлекательными для использования в системах противовоздушной и противоракетной обороны. - Лазерные лучи практически не рассеиваются на больших расстояниях, что позволяет использовать лазеры для точного наведения оружия на цель, систем слежения и управления огнём. - Лучи распространяется со скоростью света, что значительно быстрее, чем любые снаряды или ракеты. В ходе специальной военной операции (СВО) на территории Украины Россия применила лазерное оружие — боевой комплекс под название «Задира», чтобы сбивать беспилотники противника, не тратя на это дорогостоящие ракеты. Также у России есть боевой лазер «Пересвет», способный нейтрализовать спутники разведки противника на расстоянии до 1500 км. История появления лазеров В основе работы лазеров лежат законы квантовой механики. Она объясняет, как ведут себя мельчайшие частицы во Вселенной. Большой вклад в развитие этого раздела физики внёс Альберт Эйнштейн. В 1916 году (по некоторым данным, в 1917 году) он сформулировал теорию вынужденного излучения. В ней Эйнштейн предположил, что можно «заставить» электроны (отрицательно заряженные частицы, часть атома) излучать свет определённой волны одновременно, но для этого нужно создать определённую среду. Первым такую среду придумал советский физик Валентин Фабрикант. Опыты он начал в 1930-х годах после прочтения книги Алексея Толстого «‎Гиперболоид инженера Гарина», где речь шла об изобретении мощного луча, способного уничтожать любые преграды.

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.

В 1960 году американец Теодор Майман, опираясь на знания Басова и Прохорова, запустил свой первый лазер. В нём ученый использовал кристалл розового рубина. Именно с этого момента началось бурное развитие лазерной науки и техники во всем мире.

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.