1. Прохождение монохроматического света через прозрачную среду.

2. Создание инверсной населенности. Способы накачки.

3. Принцип действия лазера. Типы лазеров.

4. Особенности лазерного излучения.

5. Характеристики лазерного излучения, применяемого в медицине.

6. Изменения свойств ткани и ее температуры под действием непрерывного мощного лазерного излучения.

7. Использование лазерного излучения в медицине.

8. Основные понятия и формулы.

9. Задачи.

Мы знаем, что свет испускается отдельными порциями - фотонами, каждый из которых возникает в результате излучательного перехода атома, молекулы или иона. Естественный свет - это совокупность огромного числа таких фотонов, различающихся по частоте и фазе, испущенных в случайные моменты времени в случайных направлениях. Получение мощных пучков монохроматического света с помощью естественных источников - задача практически неразрешимая. В то же время потребность в таких пучках ощущалась как физиками, так и специалистами многих прикладных наук. Создание лазера позволило решить эту задачу.

Лазер - устройство, генерирующее когерентные электромагнитные волны за счет вынужденного излучения микрочастиц среды, в которой создана высокая степень возбуждения одного из энергетических уровней.

Лазер (LASER Light Amplification by Stimulated of Emission Radiation) - усиление света с помощью вынужденного излучения.

Интенсивность лазерного излучения (ЛИ) во много раз превосходит интенсивность естественных источников света, а расходимость лазерного луча менее одной угловой минуты (10 -4 рад).

31.1. Прохождение монохроматического света через прозрачную среду

В лекции 27 мы выяснили, что прохождение света через вещество сопровождается как фотонным возбуждением его частиц, так и актами вынужденного излучения. Рассмотрим динамику этих процессов. Пусть в среде распространяется монохроматический свет, частота которого (ν) соответствует переходу частиц этой среды с основного уровня (E 1) на возбужденный (Е 2):

Фотоны, попадающие в частицы, находящиеся в основном состоянии, будут поглощаться, а сами частицы будут переходить в возбужденное состояние Е 2 (см. рис. 27.4). Фотоны, которые попадают в возбужденные частицы, инициируют вынужденное излучение (см. рис. 27.5). При этом происходит удвоение фотонов.

В состоянии теплового равновесия соотношение между числом возбужденных (N 2) и невозбужденных (N 1) частиц подчиняется распределению Больцмана:

где k - постоянная Больцмана, T - абсолютная температура.

При этом N 1 >N 2 и поглощение доминирует над удвоением. Следовательно, интенсивность выходящего света I будет меньше интенсивности падающего света I 0 (рис. 31.1).

Рис. 31.1. Ослабление света, проходящего через среду, в которой степень возбуждения менее 50 % (N 1 > N 2)

По мере поглощения света степень возбуждения будет расти. Когда она достигнет 50 % (N 1 = N 2), между поглощением и удвоением установится равновесие, так как вероятности попадания фотонов в возбужденную и невозбужденную частицы станут одинаковыми. Если освещение среды прекратится, то через некоторое время среда вернется в начальное состояние, соответствующее распределению Больцмана (N 1 > N 2). Сделаем предварительный вывод:

При освещении среды монохроматическим светом (31.1) невозможно добиться такого состояния среды, при котором степень возбуждения превышает 50 %. И все-таки давайте рассмотрим вопрос о прохождении света через среду, в которой каким-то способом достигнуто состояние N 2 > N 1 . Такое состояние называется состоянием с инверсной населенностью (от лат. inversio - переворачивание).

Инверсная населенность - такое состояние среды, при котором число частиц на одном из верхних уровней больше, чем на нижнем.

В среде с инверсной населенностью вероятность попадания фотона в возбужденную частицу больше, чем в невозбужденную. Поэтому процесс удвоения доминирует над процессом поглощения и имеет место усиление света (рис. 31.2).

По мере прохождения света через среду с инверсной населенностью степень возбуждения будет снижаться. Когда она достигнет 50%

Рис. 31.2. Усиление света, проходящего через среду с инверсной населенностью (N 2 > N 1)

(N 1 = N 2), между поглощением и удвоением установится равновесие и эффект усиления света исчезнет. Если освещение среды прекратится, то через некоторое время среда вернется в состояние, соответствующее распределению Больцмана (N 1 > N 2).

Если вся эта энергия выделится в излучательных переходах, то мы получим световой импульс огромной мощности. Правда, он еще не будет обладать требуемой когерентностью и направленностью, но будет в высокой степени монохроматичен (hv = E 2 - E 1). Это еще не лазер, но уже нечто близкое.

31.2. Создание инверсной населенности. Способы накачки

Так можно ли добиться инверсной населенности? Оказывается, можно, если использовать три энергетических уровня со следующей конфигурацией (рис. 31.3).

Пусть среда освещается мощной вспышкой света. Часть спектра излучения будет поглощена в переходе с основного уровня Е 1 на широкий уровень Е 3 . Напомним, что широким является энергетический уровень с малым временем релаксации. Поэтому большинство частиц, попавших на уровень возбуждения Е 3 , безызлучательно переходит на узкий метастабильный уровень Е 2 , где происходит их накопление. Вследствие узости этого уровня лишь малая доля фотонов вспышки

Рис. 31.3. Создание инверсной населенности на метастабильном уровне

способна вызвать вынужденный переход Е 2 → Е 1 . Этим и обеспечиваются условия для создания инверсной населенности.

Процесс создания инверсной населенности называется накачкой. В современных лазерах применяются различные виды накачки.

Оптическая накачка прозрачных активных сред использует импульсы света от внешнего источника.

Электроразрядная накачка газовых активных сред использует электрический разряд.

Инжекционная накачка полупроводниковых активных сред использует электрический ток.

Химическая накачка активной среды из смеси газов использует энергию химической реакции между компонентами смеси.

31.3. Принцип действия лазера. Типы лазеров

Функциональная схема лазера показана на рис. 31.4. Рабочее тело (активная среда) представляет собой длинный узкий цилиндр, торцы которого закрыты двумя зеркалами. Одно из зеркал (1) полупрозрачно. Такая система называется оптическим резонатором.

Система накачки переводит частицы с основного уровня Е 1 на поглощательный уровень Е 3 , откуда они безызлучательно переходят на метастабильный уровень Е 2 , создавая его инверсную населенность. После этого начинаются спонтанные излучательные переходы Е 2 → Е 1 с испусканием монохроматических фотонов:

Рис. 31.4. Схематическое устройство лазера

Фотоны спонтанного излучения, испущенные под углом к оси резонатора, выходят через боковую поверхность и в процессе генерации не участвуют. Их поток быстро иссякает.

Фотоны, которые после спонтанного излучения движутся вдоль оси резонатора, многократно проходят через рабочее тело, отражаясь от зеркал. При этом они взаимодействуют с возбужденными частицами, инициируя вынужденное излучение. За счет этого происходит «лавинообразное» нарастание индуцированных фотонов, движущихся в том же направлении. Многократно усиленный поток фотонов выходит через полупрозрачное зеркало, создавая мощный пучок почти параллельных когерентных лучей. Фактически лазерное излучение порождается первым спонтанным фотоном, который движется вдоль оси резонатора. Это и обеспечивает когерентность излучения.

Таким образом, лазер преобразует энергию источника накачки в энергию монохроматического когерентного света. Эффективность такого преобразования, т.е. КПД, зависит от типа лазера и лежит в диапазоне от долей процента до нескольких десятков процентов. У большинства лазеров КПД составляет 0,1-1 %.

Типы лазеров

Первый созданный лазер (1960 г.) использовал в качестве рабочего тела рубин и оптическую систему накачки. Рубин - это кристаллическая окись алюминия А1 2 О 3 , содержащая около 0,05 % атомов хрома (именно хром придает рубину розовый цвет). Атомы хрома, внедренные в кристаллическую решетку, являются активной средой

с конфигурацией энергетических уровней, изображенной на рис. 31.3. Длина волны излучения рубинового лазера равна λ = 694,3 нм. Затем появились лазеры, использующие другие активные среды.

В зависимости от типа рабочего тела лазеры делятся на газовые, твердотельные, жидкостные, полупроводниковые. В твердотельных лазерах активный элемент обычно изготавливается в виде цилиндра, длина которого много больше его диаметра. Газовые и жидкие активные среды помещают в цилиндрическую кювету.

В зависимости от способа накачки можно получить непрерывную и импульсную генерацию лазерного излучения. При непрерывной системе накачки инверсия населенности поддерживается длительное время за счет внешнего источника энергии. Например, непрерывное возбуждение электрическим разрядом в газовой среде. При импульсной системе накачки инверсия населенности создается в импульсном режиме. Частота следования импульсов от 10 -3

Гц до 10 3 Гц.

31.4. Особенности лазерного излучения

Лазерное излучение по своим свойствам значительно отличается от излучения обычных источников света. Отметим его характерные особенности.

1. Когерентность. Излучение является высококогерентным, что обусловлено свойствами вынужденного излучения. При этом имеет место не только временная, но и пространственная когерентность: разность фаз в двух точках плоскости, перпендикулярной направлению распространения, сохраняется постоянной (рис. 31.5, а).

2. Коллимированность. Лазерное излучение является коллимированным, т.е. все лучи в пучке почти параллельны друг другу (рис. 31.5, б). На большом расстоянии лазерный пучок лишь незначительно увеличивается в диаметре. Так как угол расходимости φ мал, то интенсивность лазерного пучка слабо убывает с расстоянием. Это позволяет передавать сигналы на огромные расстояния при малом ослаблении их интенсивности.

3. Монохроматичность. Лазерное излучение является в высокой степени монохроматическим, т.е. содержит волны практически одинаковой частоты (ширина спектральной линии составляет Δλ ≈0,01 нм). На

рисунке 31.5, в приведено схематическое сравнение ширины линии лазерного луча и луча обычного света.

Рис. 31.5. Когерентность (а), коллимированность (б), монохроматичность (в) лазерного излучения

До появления лазеров излучение с некоторой степенью монохроматичности удавалось получить с помощью приборов - монохроматоров, выделяющих из сплошного спектра узкие спектральные интервалы (узкие полосы длин волн), однако мощность света в таких полосах мала.

4. Высокая мощность. С помощью лазера можно обеспечить очень высокую мощность монохроматического излучения - до 10 5 Вт в непрерывном режиме. Мощность импульсных лазеров на несколько порядков выше. Так, неодимовый лазер генерирует импульс с энергией Е = 75 Дж, длительность которого t = 3х10 -12 с. Мощность в импульсе равна Р = Е/t = 2,5х10 13 Вт (для сравнения: мощность ГЭС составляет Р ~10 9 Вт).

5. Высокая интенсивность. В импульсных лазерах интенсивность лазерного излучения очень высока и может достигать I = 10 14 -10 16 Вт/см 2 (ср. интенсивность солнечного света вблизи земной поверхности I = 0,1 Вт/см 2).

6. Высокая яркость. У лазеров, работающих в видимом диапазоне, яркость лазерного излучения (сила света с единицы поверхности) очень велика. Даже самые слабые лазеры имеют яркость 10 15 кд/м 2 (для сравнения: яркость Солнца L ~ 10 9 кд/м 2).

7. Давление. При падении лазерного луча на поверхность тела создается давление (Д). При полном поглощении лазерного излучения, падающего перпендикулярно поверхности, создается давление Д = I/c, где I -интенсивность излучения, с - скорость света в вакууме. При полном отражении величина давления в два раза больше. Для интенсивности I = 10 14 Вт/см 2 = 10 18 Вт/м 2 ; Д = 3,3х10 9 Па = 33 000 атм.

8. Поляризованность. Лазерное излучение полностью поляризовано.

31.5. Характеристики лазерного излучения, применяемого в медицине

Длина волны излучения

Длины волн излучения (λ) медицинских лазеров лежат в диапазоне 0,2 -10 мкм, т.е. от ультрафиолетовой до дальней инфракрасной области.

Мощность излучения

Мощность излучения (P) медицинских лазеров варьируется в широких пределах, определяемых целями применения. У лазеров с непрерывной накачкой Р = 0,01-100 Вт. Импульсные лазеры характеризуются мощностью в импульсе Р и и длительностью импульса τ и

Для хирургических лазеров Р и = 10 3 -10 8 Вт, а длительность импульса т и = 10 -9 -10 -3 с.

Энергия в импульсе излучения

Энергия одного импульса лазерного излучения (Е и) определяется соотношением Е и = Р и -т и, где т и - длительность импульса излучения (обычно т и = 10 -9 -10 -3 с). Для хирургических лазеров Е и = 0,1-10 Дж.

Частота следования импульсов

Эта характеристика (f) импульсных лазеров показывает количество импульсов излучения, генерируемых лазером за 1 с. Для терапевтических лазеров f = 10-3 000 Гц, для хирургических f = 1-100 Гц.

Средняя мощность излучения

Эта характеристика (Р ср) импульсно-периодических лазеров показывает, какую энергию лазер излучает за 1 с, и определяется следующим соотношением:

Интенсивность (плотность мощности)

Эта характеристика (I) определяется как отношение мощности лазерного излучения к площади поперечного сечения пучка. Для непрерывных лазеров I = P/S. В случае импульсных лазеров различают интенсивность в импульсе I и = P и /S и среднюю интенсивность I ср = Р ср /S.

Интенсивность хирургических лазеров и давление, создаваемое их излучением, имеют следующие значения:

для непрерывных лазеров I ~ 10 3 Вт/см 2 , Д = 0,033 Па;

для импульсных лазеров I и ~ 10 5 -10 11 Вт/см 2 , Д = 3,3 - 3,3х10 6 Па.

Плотность энергии в импульсе

Эта величина (W) характеризует энергию, которая приходится на единицу площади облучаемой поверхности за один импульс и определяется соотношением W = E и /S, где S (см 2) - площадь светового пятна (т.е. поперечного сечения лазерного луча) на поверхности биоткани. У лазеров, используемых в хирургии, W ≈ 100 Дж/см 2 .

Параметр W можно рассматривать как дозу облучения D за 1 импульс.

31.6. Изменения свойств ткани и ее температуры под действием непрерывного мощного лазерного излучения

Изменение температуры и свойств ткани

под действием непрерывного лазерного излучения

Поглощение мощного лазерного излучения биологической тканью сопровождается выделением теплоты. Для расчета выделяющейся теплоты используют специальную величину - объемную плотность теплоты (q).

Выделение теплоты сопровождается повышением температуры и в тканях протекают следующие процессы:

при 40-60°С имеют место активация ферментов, образование отеков, изменение и в зависимости от времени действия гибель клеток денатурация протеина, начало коагуляции и некрозы;

при 60-80°С - денатурация коллагена, дефекты мембран; при 100°С - обезвоживание, выпаривание тканевой воды; свыше 150°С - обугливание;

свыше 300°С - выпаривание ткани, газообразование. Динамика протекания этих процессов изображена на рис. 31.6.

Рис. 31.6. Динамика изменения температуры ткани под воздействием непрерывного лазерного излучения

1 фаза. Сначала температура ткани повышается от 37 до 100 °С. В этом диапазоне температур термодинамические свойства ткани остаются практически неизменными, и происходит линейный рост температуры со временем (α = const и I = const).

2 фаза. При температуре 100 °С начинается выпаривание тканевой воды, и до окончания этого процесса температура остается постоянной.

3 фаза. После выпаривания воды температура вновь начинает расти, но медленнее, чем на участке 1, так как обезвоженная ткань поглощает энергию слабее нормальной.

4 фаза. По достижении температуры Т ≈ 150 °С начинается процесс обугливания и, следовательно, «почернения» биоткани. При этом коэффициент поглощения α возрастает. Поэтому наблюдается нелинейный, ускоряющийся со временем рост температуры.

5 фаза. По достижении температуры Т ≈ 300 °С начинается процесс испарения обезвоженной обугленной биоткани и рост температуры вновь прекращается. Именно в этот момент лазерный луч рассекает (удаляет) ткань, т.е. становится скальпелем.

Степень повышения температуры зависит от глубины залегания ткани (рис. 31.7).

Рис. 31.7. Процессы, протекающие в облучаемых тканях на различной глубине: а - в поверхностном слое ткань нагревается до нескольких сотен градусов и испаряется; б - мощность излучения, ослабленного верхним слоем, недостаточна для испарения ткани. Происходит коагуляция ткани (иногда совместно с обугливанием - черная жирная линия); в - происходит нагревание ткани вследствие передачи теплоты из зоны (б)

Протяженности отдельных зон определяются как характеристиками лазерного излучения, так и свойствами самой ткани (в первую очередь коэффициентами поглощения и теплопроводности).

Воздействие мощного сфокусированного пучка лазерного излучения сопровождается и возникновением ударных волн, которые могут стать причиной механического повреждения прилегающих тканей.

Абляция ткани под воздействием мощного импульсного лазерного излучения

При воздействии на ткань коротких импульсов лазерного излучения с высокой плотностью энергии реализуется другой механизм рассечения и удаления биоткани. В этом случае происходит очень быстрый нагрев тканевой жидкости до температуры Т > Т кип. При этом тканевая жидкость оказывается в метастабильном перегретом состоянии. Затем происходит «взрывное» вскипание тканевой жидкости, которое сопровождается удалением ткани без обугливания. Это явление называется абляцией. Абляция сопровождается генерацией механических ударных волн, способных вызвать механическое повреждение тканей в окрестностях зоны лазерного воздействия. Этот факт необходимо учитывать при выборе параметров импульсного лазерного излучения, например при шлифовке кожи, сверлении зубов или при лазерной коррекции остроты зрения.

31.7. Использование лазерного излучения в медицине

Процессы, характеризующие взаимодействие лазерного излучения (ЛИ) с биообъектами, можно разделить на 3 группы:

невозмущающее воздействие (не оказывающее заметного действия на биообъект);

фотохимическое действие (возбужденная лазером частица либо сама принимает участие в соответствующих химических реакциях, либо передает свое возбуждение другой частице, участвующей в химической реакции);

фоторазрушение (за счет выделения тепла или ударных волн).

Лазерная диагностика

Лазерная диагностика представляет собой невозмущающее воздействие на биообъект, использующее когерентность лазерного излучения. Перечислим основные методы диагностики.

Интерферометрия. При отражении лазерного излучения от шероховатой поверхности возникают вторичные волны, которые интерферируют между собой. В результате образуется картина темных и светлых пятен (спеклов), расположение которых дает информацию о поверхности биообъекта (метод спеклоинтерферометрии).

Голография. С помощью лазерного излучения получают 3-мерное изображение объекта. В медицине этот метод позволяет получать объемные изображения внутренних полостей желудка, глаза и т.д.

Рассеяние света. При прохождении остронаправленного лазерного пучка через прозрачный объект происходит рассеяние света. Регистрация угловой зависимости интенсивности рассеянного света (метод нефелометрии) позволяет определять размеры частиц среды (от 0,02 до 300 мкм) и степень их деформации.

При рассеянии может изменяться поляризация света, что также используется в диагностике (метод поляризационной нефелометрии).

Эффект Доплера. Этот метод основан на измерении доплеровского сдвига частоты ЛИ, который возникает при отражении света даже от медленно движущихся частиц (метод аненометрии). Таким способом измеряется скорость кровотока в сосудах, подвижность бактерий и т.д.

Квазиупругое рассеяние. При таком рассеянии происходит незначительное изменение длины волны зондирующего ЛИ. Причина этого - изменение в процессе измерения рассеивающих свойств (конфигурации, конформации частиц). Временные изменения параметров рассеивающей поверхности проявляются в изменении спектра рассеяния по сравнению со спектром подающего излучения (спектр рассеяния либо уширяется, либо в нем появляются дополнительные максимумы). Данный метод позволяет получать информацию о меняющихся характеристиках рассеивателей: коэффициенте диффузии, скорости направленного транспорта, размерах. Так осуществляется диагностика макромолекул белков.

Лазерная масс-спектроскопия. Этот метод используют для исследования химического состава объекта. Мощные пучки лазерного излучения испаряют вещество с поверхности биообъекта. Пары подвергают масс-спектральному анализу, по результатам которого судят о составе вещества.

Лазерный анализ крови. Лазерный луч, пропускаемый через узкий кварцевый капилляр, по которому прокачивается специально обработанная кровь, вызывает флуоресценцию ее клеток. Флуоресцентное свечение затем улавливается чувствительным датчиком. Это свечение специфично для каждого типа клеток, проходящих поодиночке через сечение лазерного луча. Подсчитывается общее число клеток в заданном объеме крови. Определяются точные количественные показатели по каждому типу клеток.

Метод фоторазрушения. Его используют для исследования поверхностного состава объекта. Мощные пучки ЛИ позволяют брать микропробы с поверхности биообъектов путем испарения вещества и последующего масс-спектрального анализа этого пара.

Использование лазерного излучения в терапии

В терапии используются низкоинтенсивные лазеры (интенсивность 0,1-10 Вт/см 2). Низкоинтенсивное излучение не вызывает заметного деструктивного действия на ткани непосредственно во время облучения. В видимой и ультрафиолетовой областях спектра эффекты облучения обусловлены фотохимическими реакциями и не отличаются от эффектов, вызываемых монохроматическим светом, полученным от обычных некогерентных источников. В этих случаях лазеры являются просто удобными монохроматическими источниками света, обеспечи-

Рис. 31.8. Схема применения лазерного источника для внутрисосудистого облучения крови

вающими точную локализацию и дозировку воздействия. В качестве примера на рис. 31.8 приведена схема использования источника лазерного излучения для внутрисосудистого облучения крови у больных с сердечной недостаточностью.

Ниже указаны наиболее распространенные методы лазеротерапии.

Терапия с помощью красного света. Излучение Не-Ne лазера с длиной волны 632,8 нм используется с противовоспалительной целью для лечения ран, язв, ишемической болезни сердца. Лечебный эффект связан с влиянием света этой длины волны на пролиферативную активность клетки. Свет выступает в роли регулятора клеточного метаболизма.

Терапия с помощью синего света. Лазерное излучение с длиной волны в синей области видимого света используется, например, для лечения желтухи новорожденных. Это заболевание - следствие резкого возрастания в организме концентрации билирубина, который имеет максимум поглощения в синей области. Если облучать детей лазерным излучением такого диапазона, то билирубин распадается, образуя водорастворимые продукты.

Лазерофизиотерапия - использование лазерного излучения при сочетании с различными методами электрофизиотерапии. Некоторые лазеры имеют магнитные насадки для сочетанного действия лазерного излучения и магнитного поля - магнитолазеротерапии. К ним относится магнито-инфракрасный лазерный терапевтический аппарат «Мильта».

Эффективность лазеротерапии увеличивается при сочетанном воздействии с лекарственными веществами, предварительно нанесенными на облучаемую зону (лазерофорез).

Фотодинамическая терапия опухолей. Фотодинамическая терапия (ФДТ) используется для удаления опухолей, доступных для облучения светом. ФДТ основана на применении локализующихся в опухолях фотосенсибилизаторов, повышающих чувствительность тканей при их

последующем облучении видимым светом. Разрушение опухолей при ФДТ основано на трех эффектах: 1) прямое фотохимическое уничтожение клеток опухоли; 2) повреждение кровеносных сосудов опухоли, приводящее к ишемии и гибели опухоли; 3) возникновение воспалительной реакции, мобилизирующей противоопухолевую иммунную защиту тканей организма.

Для облучения опухолей, содержащих фотосенсибилизаторы, используется лазерное излучение с длиной волны 600-850 нм. В этой области спектра глубина проникновения света в биологические ткани максимальна.

Фотодинамическая терапия применяется при лечении опухолей кожи, внутренних органов: легких, пищевода (при этом к внутренним органам лазерное излучение доставляется с помощью световодов).

Использование лазерного излучения в хирургии

В хирургии высокоинтенсивные лазеры используются для рассечения тканей, удаления патологических участков, остановки кровотечения, сваривания биотканей. Выбирая должным образом длину волны излучения, его интенсивность и длительность воздействия, можно получать различные хирургические эффекты. Так, для разрезания биологических тканей используется сфокусированный луч непрерывного СО 2 -лазера, имеющего длину волны λ = 10,6 мкм, мощность 2х10 3 Вт/см 2 .

Применение лазерного луча в хирургии обеспечивает избирательное и контролируемое воздействие. Лазерная хирургия имеет ряд преимуществ:

Бесконтактность, дающую абсолютную стерильность;

Селективность, позволяющую выбором длины волны излучения дозированно разрушать патологические ткани, не затрагивая окружающие здоровые ткани;

Бескровность (за счет коагуляции белков);

Возможность микрохирургических воздействий, благодаря высокой степени фокусировки луча.

Укажем некоторые области хирургического применения лазеров.

Лазерная сварка тканей. Соединение рассеченных тканей представляет собой необходимый этап многих операций. На рисунке 31.9 показано, как сваривание одного из стволов крупного нерва осуществляется в контактном режиме с использованием припоя, который

Рис. 31.9. Сваривание нерва при помощи лазерного луча

каплями из пипетки подается по месту лазирования.

Разрушение пигментированных участков. Лазеры, работающие в импульсном режиме, используются для разрушения пигментированных участков. Данный метод (фототермолиз) используется для лечения ангиом, татуировок, склеротических бляшек в кровеносных сосудах и т.п.

Лазерная эндоскопия. Внедрение эндоскопии произвело коренной переворот в оперативной медицине. Чтобы избежать больших открытых операций, лазерное излучение доставляется к месту воздействия с помощью волоконно-оптических световодов, которые позволяют подводить лазерное излучение к биотканям внутренних полых органов. При этом значительно снижается риск инфицирования и возникновения послеоперационных осложнений.

Лазерный пробой. Короткоимпульсные лазеры в сочетании со световодами применяют для удаления бляшек в сосудах, камней в желчном пузыре и почках.

Лазеры в офтальмологии. Использование лазеров в офтальмологии позволяет выполнять бескровные оперативные вмешательства без нарушения целостности глазного яблока. Это операции на стекловидном теле; приваривание отслоившейся сетчатки; лечение глаукомы путем «прокалывания» лазерным лучом отверстий (диаметром 50÷100 мкм) для оттока внутриглазной жидкости. Послойная абляция тканей роговицы применяется при коррекции зрения.

31.8. Основные понятия и формулы

Окончание таблицы

31.9. Задачи

1. В молекуле фенилаланина разница энергий в основном и возбужденном состояниях составляет ΔЕ = 0,1 эВ. Найти соотношение между заселенностями этих уровней при Т = 300 К.

Ответ: n = 3,5*10 18 .

Холодным сентябрьским вечером посетители картодрома« Маяк» недалеко от подмосковной Икши были изрядно удивлены. К фанерному щиту с мишенью, на которой была изображена кабина авиалайнера, откуда-то из темноты протягивались разноцветные лазерные лучи. Нет, это не школа террористов — просто« Популярная механика» решила проверить распространенный миф о том, может ли лазерная указка служить средством ПВО. А заодно рассказать, как устроены портативные лазеры и для чего они нужны на самом деле

Снайперская стрельба Для проверки мифа об ослеплении пилотов авиалайнера была изготовлена специальная мишень, в которую с расстояния 680 м светили зеленым лазером мощностью 300 мВт, красным – 200 мВт и фиолетовым – 200 мВт

За последние несколько лет в мире стало регистрироваться огромное количество «лазерных атак» на воздушные суда. Не обошло это явление и Россию — в 2011 году Росавиация насчитала несколько десятков таких случаев. И это еще довольно умеренное количество: в США, например, ежегодно регистрируется почти 3000 случаев воздействия лазерного луча на пилотов. Как правило, для этого используются достаточно мощные лазерные указки — они недороги (порядка нескольких сотен долларов) и широко доступны. Обеспокоенные власти принимают к нарушителям самые жесткие меры — от очень крупных штрафов до многолетнего тюремного заключения. Европейские страны в срочном порядке запрещают использование указок вблизи аэропортов (и даже просто на улицах), фактически приравнивая их к настоящему оружию! В Австралии и Великобритании, например, продажи лазерных указок мощностью более 1 мВт просто запрещены. Но можно ли на самом деле «сбить» самолет, ослепив пилота достаточно мощной лазерной указкой?

Для проверки мифа об ослеплении пилотов авиалайнера была изготовлена специальная мишень, в которую с расстояния 680 м светили зеленым лазером мощностью 300 мВт, красным — 200 мВт и фиолетовым — 200 мВт.

Указки как… указки

Откуда вообще хулиганы берут это страшное оружие, и зачем его продают в магазинах всем желающим? На самом деле лазерные указки, конечно, не предназначены для сбивания самолетов или вертолетов. Лучше всего они проявляют себя именно по прямому назначению — то есть как указки. Однако ассортимент их сейчас огромен, что зачастую приводит к проблемам и ошибкам при выборе мощности и длины волны. Если нужна именно указка, то оптимальным выбором будет зеленый (с длиной волны 532 нм) лазер. Дело в том, что чувствительность глаза к различным цветам спектра различна, и максимальна она именно в области зеленого. По­это­му излучение зеленого лазера будет ярче даже при меньшей мощности — например, для человеческого глаза 5-мВт 532-нм зеленый лазер в два раза ярче, чем 20-мВт 650-нм красный.

Определиться с мощностью тоже несложно. Для использования во время проведения семинаров, конференций и других мероприятий в закрытых помещениях вполне достаточно будет 5 мВт. Более мощные лазеры могут представлять потенциальную опасность для зрения и, что тоже немаловажно, своей излишней яркостью вызывать раздражение у зрителей. На открытом воздухе ночью — скажем, при проведении «экскурсий» по звездному небу — тоже будет достаточно 5-мВт зеленого лазера. Но это за городом, где не мешает городская засветка. В городских условиях на относительно светлом небе нужно будет чуть больше — порядка 20−50 мВт. Днем для указаний отдельных деталей архитектуры («обратите внимание на чудесную лепнину в районе пятого этажа соседнего здания!») не лишними будут указки мощностью 50−100, а в яркий солнечный день и все 200−300 мВт. Но помните: такие лазеры уже представляют реальную опасность для зрения, а в окна домов могут смотреть люди!

Не смотри на лазер оставшимся глазом

Даже маломощные лазеры могут представлять опасность для здоровья. Любое устройство, в конструкции которого есть лазер, в обязательном порядке снабжено этикеткой с указанием класса ее опасности.
2/II класс — лазерные указки мощностью до 1 мВт, которые потенциально представляют опасность при длительном воздействии на глаз прямого луча.
3R/IIIa класс — лазерные указки мощностью до 5 мВт, которые представляют опасность при длительном воздействии на глаз прямого луча, либо при воздействии луча, дополнительно сфокусированного оптическими приборами (например, биноклем).
3B/IIIb класс — портативные лазеры мощностью до 500 мВт, которые безусловно опасны при попадании луча в глаза.
4/IV класс — портативные лазеры мощностью свыше 500 мВт, которые потенциально способны вызывать ожоги кожи и травмировать зрение даже отраженным от матовых поверхностей светом.
При использовании лазеров с классом опасности выше IIIa настоятельно рекомендуется использовать специальные защитные очки, рассчитанные на защиту зрения от излучения лазера соответствующего типа. Прямой, отраженный или преломленный Луч лазера ни в коем случае нельзя направлять в глаза. Лазеры класса IV, при попадании прямого луча в глаз с небольшого расстояния, гарантированно вызывают серьезные нарушения вплоть до полной потери зрения, их луч может стать причиной ожогов и пожара.

Фигурное выжигание

Тем не менее в сознании большин­ства читателей лазеры ассоциируются с «прожигающим» лучом. И вполне справедливо: станки с лазерным раскроем работают на множестве производств, разрезая самые различные материалы — от полимерных пленок до стальных листов. Правда, и мощность лазеров там исчисляется вовсе не милливаттами. Впрочем, прогресс в этой области шагнул настолько далеко, что в настоящее время такой станок можно построить и в домашних условиях. Для этого идеальны мощные полупроводниковые фиолетовые (405 нм) и сине-фиолетовые лазеры (445 нм). Они отличаются хорошим соотношением цены и мощности, а их излучение хорошо поглощается большинством материалов. К тому же, как правило, производители предусматривают в таких портативных лазерах (называть их указками уже не совсем корректно) возможность регулировать фокусировку луча.

Самым интересным из попавших в наши руки однозначно стал сине-фиолетовый (445 нм) лазер мощно­стью 1 Вт. При тщательном соблюдении техники безопасности этот лазер может стать инструментом для множества научно-популярных экспериментов и отличным развлечением. Необычный цвет, высокая стабильность, регулируемая фокусировка и сокрушающая мощь способны на долгое время заставить забыть обо всех других лазерах! Его луч прекрасно виден в вечернем небе, отраженный от потолка свет легко освещает довольно большую комнату, а при соответствующей фокусировке он легко режет бумагу и за пару минут даже может проделать отверстие в дереве толщиной более 3 мм. К тому же такие лазеры принципиально имеют довольно большую расходимость — в 3−10 раз больше, чем у других типов, но в данном случае это скорее плюс, поскольку снижает опасность для окружающих. Впрочем, большая мощность и малая длина волны приводят к высокой опасности для зрения даже при наблюдении отраженного и рассеянного света, поэтому при работе с этим лазером нужно обязательно использовать защитные очки, отсекающие большую часть опасного излучения.

В качестве импровизированной защиты можно использовать стандартные очки с желтыми фильтрами для повышения контраста (например, стрелковые).

Фиолетовые (405 нм) лазеры мощнее 300 мВт сейчас найти затруднительно, но за счет лучшей фокусировки по своим «зажигательным» способностям они весьма близки к 1-Вт сине-фиолетовому (445 нм) лазеру. На расстоянии 5−10 м 300-мВт фиолетовая указка догоняет одноваттного монстра, а далее и вовсе обходит и при этом стоит дешевле. Однако и прожечь что-нибудь на таком расстоянии можно только в том случае, если и лазер, и мишень будут закреплены неподвижно. Так что пока лазерные копья Звездной Гвардии остаются уделом фантастических сериалов. Кроме выжигания, фиолетовая указка интересна тем, что заставляет ярко светиться многие материалы, подобно ультрафиолетовой лампе. Для защиты зрения от отраженного и рассеянного света также подойдут очки с желтыми светофильтрами.

Испытать всю испепеляющую мощь одноваттной указки мы решили на современный манер, построив двухкоординатный выжигательный станок с ЧПУ из конструктора Fischertechnik. За основу мы взяли набор ROBO TX Automation Robots, укомплектовав его компьютерным контроллером ROBO TX. Несмотря на слегка игрушечный вид, это серьезный контроллер с исчерпывающим набором входов и выходов для сервоприводов, световых индикаторов, переключателей, сенсоров (фоторезистор, ультразвуковой радар, датчик цвета, микрофон). Контроллер подключается к компьютеру по USB или Bluetooth. Мы запрограммировали станок на точечное выжигание: на каждом «пикселе» рисунка указка задерживалась на 5 секунд и успевала прожечь отчетливое черное пятно, после чего лазерный луч смещался на шаг и продолжал выжигание. Работу несколько осложнил тот факт, что во избежание перегрева указка не должна непрерывно работать дольше 30 секунд, поэтому каждые полминуты приходилось ставить программу на паузу. Выжигание простого рисунка заняло у нас чуть больше часа.

Все цвета радуги

Чтобы подобрать идеальное оружие, редакция вооружилась изрядным арсеналом из целого ряда лазерных указок — красных, зеленых и фиолетовых, мощностью от 100 до 300 мВт. Зеленые лазеры с длиной волны 532 нм стали причиной второго бума указок. И вполне заслуженно: при одинаковой мощности они в 4−15 раз ярче, чем красные, в 20 раз ярче сине-фиолетовых и в 190 раз ярче фиолетовых указок! Так что если лазер для вас не только способ заставить что-то дымиться, но и рабочий инструмент презентаций (или лазерного шоу), то зеленая указка — это как раз то что нужно. А вот для выжигания они подходят не слишком хорошо — при одинаковой мощности отстают от фиолетовых и сине-фиолетовых, да и защитные очки к ним нужны специальные.

Остерегайтесь подделок!

Неодимовые лазерные указки производятся уже более десяти лет. За это время, несмотря на сложность технологии, ведущие производители успели отточить производство и добиться стабильно высокого качества продукции.
Однако большинство дешевых неодимовых лазеров относится к категории «no name». Их производители зачастую неспособны обеспечить сколько-нибудь стабильные характеристики. Несколько моделей из протестированных редакцией «ПМ» зеленых указок мощностью 100 и 300 мВт показали менее 50% от заявленной мощности. Кроме того, работа многих моделей весьма нестабильна во времени и при изменении температуры, расходимость луча иногда в разы превосходит заявленную. Поэтому рекомендуем протестировать лазер перед покупкой и подробно выяснить вопрос гарантийных обязательств. А вот маломощные 5−10 мВт зеленые указки можно покупать относительно спокойно. Ну а лучше всего не гнаться за дешевизной и взять лазер от известного производителя, дорожащего своей репутацией.

Наконец, даже несмотря на то что классические красные указки мощнее 200 мВт нам найти в продаже не удалось, их не стоит сбрасывать со счетов. У этих лазеров очень высокий КПД, поэтому они очень экономичны, упакованы в компактный корпус и значительно менее склонны к перегреву. Несмотря на большой диаметр луча на выходе, мощности в 200 мВт хватает, чтобы разрезать, скажем, черный полиэтиленовый пакет. К тому же красный — самый «классический» лазерный цвет и при этом самый дешевый вариант.

А вот настоящие синие (473 нм) и желтые (593 нм) указки — эксклюзивный продукт, редкий и дорогой. И если у вас хватит денег на их приобретение, можете быть уверены, что на любой конференции все обратят внимание на луч именно вашей указки. Синие к тому же светят не непрерывно, а импульсами с высокой частотой (порядка 1 кГц), поэтому луч рисует на стене не сплошную, а штриховую линию. По яркости синие указки примерно эквивалентны красным 650-нм, а желтые аналогичны зеленым. Но и цена желтых указок в два с лишним раза выше, чем синих.

Проверяем на себе

Итак, собрав в охапку весь ассортимент указок, редакция отправилась на «полигон». На расстоянии 680 м «стрелок» должен был осветить мишень, «ослепив» изображенного на ней пилота. И вот яркий зеленый луч 300-мВт лазера тянется к мишени, оставляя на ней тусклое пятно диаметром около полуметра. Но удержать пятно на мишени удается лишь на доли секунды — на таком расстоянии даже мельчайшее дрожание рук приводит к уводу луча в сторону. Длительно (больше долей секунды) удерживать луч на одном месте практически нереально, а за это время ослепить пилота невозможно. А ведь самолет движется, и с немалой скоростью, исчисляемой сотнями метров в секунду! Конечно, можно создать систему автоматического отслеживания положения самолета и корректировки направления луча, но при таком размахе уже можно не мелочиться с указками, а использовать гораздо более мощный лазер — но это уже не указка, а настоящее боевое оружие.

Нашлись в редакции и добровольцы, рискнувшие подставить глаза под полуметровое зеленое пятно. (Это относительно безопасно, но повторять наш эксперимент мы ни в коем случае не рекомендуем.) По их словам, с такого расстояния зеленый луч в вечерней темноте казался весьма ярким, но как только он переставал бить прямо в глаза, зрение полностью восстанавливалось без каких-либо остаточных явлений типа плавающих ярких пятен. Опрошенные нами летчики тоже оказались скептиками, объяснив, что ослепить пилота авиалайнера лазерной указкой малореально — попасть в высокорасположенную кабину снизу довольно затруднительно. Тем не менее при удачном попадании (не ослеп­лении!) на стекло кабины отвлечь пилотов яркий свет вполне способен, а потеря внимания при посадке даже на доли секунды может быть опасной. Особенно для пилотов вертолетов — у них и скорость меньше, и расстояние, с которого производится воздействие, существенно ближе — не сотни метров, а десятки (собственно, среди реально пострадавших от ослепления пока и числятся только пилоты вертолетов).

Вывод таков: лазерная указка, даже достаточно мощная (300 мВт), неспособна с расстояния в несколько сотен метров не то что «прожечь» корпус летательного аппарата (как писали СМИ, падкие на сенсации), но даже и сколько-нибудь серьезно ослепить пилотов. А вот отвлечь внимание засветка от указки вполне может, поэтому в авиации, где даже к потенциальным опасностям относятся крайне внимательно, эту угрозу принимают всерьез.

Редакция благодарит компании «Артледс» (www.artleds.ru) и «Микрохоло» (www.cnilaser.ru) за предоставление указок для тестирования

ЧПУ лазер является основным элементом всей конструкции станка, с помощью которого и происходит сам процесс обработки материала. На сегодняшний день лазерные станки с числовым программным управлением применяются для производства самых разных товаров, начиная от декоративной продукции и заканчивая крупногабаритными сложными изделиями.

Оптическая составляющая лазерных станков

Перед тем, как подойти к подробному описанию работы лазера, разберем его основные оптические компоненты:

• лазерная трубка (она же СО 2 лазер), которая отвечает за генерацию луча;
• зеркала-отражатели, которые отражают луч;
• головка излучателя, которая подает луч на поверхность обрабатываемой заготовки;
• линза фокусировки, название которой говорит само за себя: она отвечает за фокусирование лазерного луча на поверхность материала.

Мощность лазера

Если говорить о материалах, которые можно обрабатывать лазерными машинами, то их довольно большое количество. Мощность лазера должна меняться в зависимости от того, с каким материалом вы собираетесь работать. Давайте разберемся с основными материалами и необходимой мощностью лазера для их обработки:

1. Мощность 200 мВТ – данный параметр отлично подходит для резки не особо прочных материалов (таких, как тонкая полиэтиленовая пленка). Важно уточнить, что такие лазеры бывают только твердотельными.
2. Мощность от 300 до 500 мВт – средняя мощность лазера, отлично подходит для гравировки дерева, кожи и пластика. Это наиболее приемлемая мощность для ЧПУ выжигателя.
3. Мощность в 1000 мВт – подходит для резки тонкой бальзы (самая легкая древесина в мире!). С такой мощностью можно так же осуществлять резку синтетического шпона, но существует вероятность его подгорания.

Необходимо сделать важный вывод: чем мощнее лазер, тем более «плотный» материал можно обработать. То есть, выбирайте мощность лазера исходя из материала, который вы хотите обрабатывать.

Лазерный модуль малой мощности

Принцип работы лазера

Основной принцип работы лазера на станке заключается в том, что лазер не режет, а прожигает. Для того, чтобы получить лазерный луч, нужны следующие элементы:

• источник внешней энергии;
• активная среда;
• оптический резонатор.

Все вышеуказанные элементы работают следующим образом:

Источник внешней энергии несет в активную среду частицы, которые имеют некий заряд. В свою очередь эти частицы притягивают из активной среды подобных себе. С помощью усилителя они начинают двигаться более живо, сталкиваются с атомами среды и выбивают новые кристаллы. Благодаря полупрозрачному стеклу резонатора кристаллы выходят вовне в форме узкого луча.

Этот луч, который фокусируется в одну точку, имеет высокое содержание энергии. Такая энергия достаточна для вхождения в любой вид материала. То место, куда попал луч, плавится или горит.

Важно знать, что при небольшой толщине материала или мощном луче, вы можете совершить даже сквозную резку металла.

Причины исчезновения лазерного луча

При отсутствии излучения в момент запуска станка, первой причиной исчезновения лазера является лазерная трубка. Проблемы и пути их решения с ней мы обсудим подробней немного ниже.

Второй причиной исчезновения может стать повреждение блока розжига. Перед проверкой электронных частей лазерной машины просмотрите индикацию (нормальное состояние – это свет светодиода на блочке питания и пары светодиодов на материнской плате) . Для подтверждения проблемы с блоком розжига можно осуществить такие действия: даете ЧПУ легкую задачу, и если она выполняется, но при этом заготовка остается целой, то можно судить об отсутствии проблем с блоком розжига.

Изделие, изготовленное на настольном лазерном станке

Общие проблемы при работе лазерной трубки

1. 1. Слабая мощность лазерного излучения. Решением такой проблемы может стать следующее: убедитесь нет ли царапин, или грязи на линзах или лазерной трубке; посмотрите на выходной ток, напряжение, скорость и чистоту потока воды; проверьте ровность лазерного луча и др.
   2. Электрическое зажигание имеет высокое напряжение. Предлагаем следующее варианты действий: проверка помех возле электрического соединения; убедитесь, что лазерная трубка не находится на маленьком расстоянии возле металлических частей станка; проверьте влажность помещения (высокая влажность может вызвать электрические пробои и помехи); убедитесь в целости всех контактов и замкнутости цепи внутренних соединений.
   3. Поломка или растрескивание концов лазерной трубки. Возможно вам смогут помочь следующие действия: проверка температуры воды (норма – 15-25 градусов); убедитесь, что водопроводная трубка не сложена и не прижата чем-либо; убедитесь в отсутствии пузырей в трубке; обратите внимание на воду: на ее расход и циркуляцию (от низкого до высокого).

Так, например, из платиновых нитей диаметром 3…5 мкм можно изготовить решетки с поперечным размером более 10 см и периодом 1 мм. В этом случае общие потери но превышают 4 · 5 · 10 -3 =0.02, а коэффициент пропускания приемного измерительного преобразователя достигает 98%. Постоянная времени прибора не превышает 10 -3 с

Если в ПИП чувствительным элементом является термометр сопротивления, который непосредственно воспринимает оптическое излучение и в нем отсутствует конструктивно развитый приемный элемент, то такой ПИП традиционно называют болометром, а в качестве термометра сопротивления могут использоваться не только проволочные проводники, а и пленочные. Приемно-чувствительные элементы этих приборов часто помещают в вакуумированную оболочку И тогда их называют вакуумными. Глубокоохлаждаемые болометры, работающие при температурах жидкого азота и гелия, используют для измерения сверхмалых потоков излучения (эквивалентную мощность шума можно снизить до 10 -14 Вт · Гц -1/2) либо при стремлении достичь максимального быстродействия (субнаносекундный диапазон)

Калориметры, в которых тепловые процессы не приводят к изменению температуры калориметрического тела (т.е. Т K =T O =const ), ю называются изотермическими калориметрами, или калориметрами постоянной температуры. Принцип действия таких калориметров основан либо на использовании эффектов фазового перехода вещества и состоит в измерении количества калориметрического вещества (льда), перешедшего под действием поглощенной энергии лазерного излучения в другую фазу (воду) при температуре существования фазового перехода (0 °) (калориметры с фазовым переходом), либо на эффекте компенсации в самом калориметре выделенного излучением тепла за счет теплового эффекта с противоположным знаком (компенсационные калориметры и калориметры с предварительным подогревом). Следует отметить, что на практике такие приборы используются редко, за исключением калориметров с предварительным подогревом. В этих приборах калориметрическое тело предварительно (до поступления и ПИП измеряемого излучения) подогревается до некоторой стационарной температуры, превышающей температуру окружающей среды. При подаче лазерного излучения мощность подогрева вручную или автоматически уменьшают ты, чтобы температура калориметрического тела оставалась прежней. Поглощенная ч в калориметре мощность в этом случае равна изменению мощности подогрева. По такому принципу работает образцовый измеритель мощности лазерного излучения ОИМ-1-1, у которого мощность подогрева уменьшается вручную

Принцип работы пироэлектрических ПИП основан на использовании пироэлектрического эффекта, наблюдаемого у ряда нецентросимметричных кристаллов при их облучении и проявляющегося в возникновении разрядов на гранях кристалла, перпендикулярных особенной полярной оси. Если изготовить небольшой конденсатор и между его обкладками поместить пироэлектрик, то изменения температуры, обусловленные поглощением излучении, будут проявляться в виде изменения заряда этого конденсатора и могут быть зарегистрированы. Входное сопротивление пироэлектрического приемника является почти чисто емкостным. Поэтому сигнал на его выходе может появиться только при переменном входном сигнале, что вызывает необходимость модуляции излучения при измерении пироприемником излучения

Выходной сигнал пироэлектрических ПИП пропорционален скорости изменения среднего прироста температуры d(D T)/dt чувствительного элемента, а не величине D T , не на которую реагируют тепловой приемники. Следствием этого является высокое быстродействие приемников (до 10 -8), в также высокая их чувствительность(10 -7 …10 -8 Дж), большой динамический диапазон работы (10 -8 …10 Дж) и широкий спектральный диапазон (0.4…10.6 мкм). Конструктивно чувствительный элемент пироприемника не отличается от колориметрических ПИП(см. рис. 1.2), за исключением самого чувствительного элемента 2 , выполненного из пироэлектрика. Среди промышленных разработок измерения малых (до 10 -9 Вт/см 2) и сверхмалых (до 10 -12 Вт/см 2) потоков излучения наибольшее применение нашли пироэлектрические преемники на основе титаната бария, триглинсульфата и на основе керамики цирконат-титанат бария. Чувствительные элементы таких ПИП представляют собой плоскопараллельную пластину толщиной 20…100 мкм с нанесенными на обе стороны электродами. На облучаемую сторону пластины наносят поглощающее покрытие либо его роль выполняет полупрозрачный электрод. С помощью сравнительно несложной технологии чувствительные элементы можно изготавливать достаточно сложной формы с размерами приемной площадки от 10 -4 до 10 6

Обладая рядом преимуществ перед тепловыми преобразователями, пирозлектрические ПИП находят все более широкое применение для измерения энергетических и пространственно-энергетических параметров лазерного излучения

Фотоэлектрический метод.

Фотоэлектрический метод измерения энергетических параметров лазерного излучения основан на переходе носителей заряда под действием фотонов измеряемого излучения на более высокие энергетические уровни. В качестве фотоэлектрических ПИП используют фотоприемники (ФП), которые делятся на две группы: с внешним и внутренним фотоэффектом. Внешний заключается в испускании электронов под действием фотонов в вакуум, внутренний - в переходе электронов из связанного состояния под действием фотонов в свободное, т.е. в возбужденное состояние внутри материала. В обоих случаях переход происходит при поглощении веществом отдельных квантов излучения, поэтому ФП являются квантовыми приборами. Энергия электромагнитного излучения в них непосредственно превращается в электрическую, которую затем измеряют. Выходной электрический сигнал ФП зависит не от мощности падающего излучения, а от количества квантов излучения и энергии каждого кванта

Общее выражение преобразования входного оптического сигнала в выходной электрический сигнал, осуществляемого фотоэлектрическим ПИП, можно записать в следующем виде:

I=I ФП +I Т =S l x P+I T (1.5)
где I - полный ток, протекающий через ФП, А ; I ФП - ток через ФП, вызванный падающим потоком излучения, А ; I Т - темновой ток, А ; S l - спектральный коэффициент преобразования, или абсолютная спектральная чувствительность ФП, А/Вт; P - мощность падающего на ФП излучения, Вт

Ниже кратко рассмотрены основные фотоэлектрические преобразователи, применяемые в средствах измерения мощности и энергии лазерного излучения

Фотопреобразователи с внешним фотоэффектом. Энергия фотоэлектронов, испущенных с поверхности катода под действием электромагнитного излучения, определяется выражением:

W=h n - w (1.6)
где n - частота излучения, Гц ; h - постоянная Планка, (h =6.63 x 10 -34 Дж x с); w - постоянная зависящая от природы материала фотокатода. Испускание электронов имеет место лишь в том случае, когда h n > w = h n О, где n О - пороговая частота, ниже которой фотоэффект невозможен. Длину волны l О =с/ n О называют длинноволновой (красной) границей фотоэффекта. Обычно коротковолновая граница фотопреобразователя ограничивается пропусканием входного окна ПИП

К фотоприемникам на основе внешнего фотоэффекта относятся вакуумные приборы: фотоэлементы (ФЭ) и фотоэлектронные умножители,

Спектральный диапазон вакуумных ФП зависит от материала фотокатода. В настоящее время выпускаемые промышленностью ФЭ и ФЭУ перекрывают диапазон от УФ (0.16 мкм) до ближнего ИК излучения (1,2 мкм - для серебряно-кислородно-цезиевого катода). Абсолютная спектральная чувствительность ФЭ определяется следующим образом:

S l =Q ЭФ x l /1.24 (1.7)
где Q ЭФ - эффективный квантовый выход, l - длина волны излучения, мкм, S l меняется в зависимости от типа и конструкции прибора (10 -3 …10 -1 мА/Вт)

Динамический диапазон, в котором сохраняется линейность преобразования оптического сигнала в электрический, для ФЭ сравнительно большой. Нижний предел ограничен шумами и темновым током ФЭ, верхний - влиянием пространственного заряда и продольным сопротивлением фотокатода, В режиме непрерывного облучения нижний

предел может достигать 10 -14 А, верхний не превышает 10 -4 А. В импульсном режиме верхний предел может быть увеличен до десятков ампер

Шумы и темновые токи ФЭ сравнительно невелики, однако из-за низкой чувствительности ФЭ нецелесообразно применять их для измерения малых уровней оптических сигналов

Современные сильноточные временные ФЭ позволяют получать время нарастания переходной характеристики (между уровнями 0.1 и 0.9 от максимального значения) порядка 10 -10 с

ФЭУ обладают высокой чувствительностью благодаря наличию умножительной (диодной) системы. Если коэффициент вторичной эмиссии i-го диода s i , коэффициент сбора электронов g i , а m - число каскадов усиления, то коэффициент усиления ФЭУ:

(1.8)
абсолютная спектральная чувствительность ФЭУ:

где абсолютная спектральная чувствительность фотокатода ФЭУ, определяемая аналогично по формуле (1.7)

Чувствительность ФЭУ может достигать ~ 10 5 А/Вт в максимуме спектральной характеристики. В обычных ФЭУ линейность сохраняется до десятков миллиампер, у современных сильноточных - до единиц ампер

При измерениях оптических сигналов большой мощности можно увеличить диапазон линейности ФЭУ для больших потоков частично используя динодную систему и снимая сигнал с промежуточных динодов. Нижний предел динамического диапазона ограничен шумами и темновыми токами ФЭУ, которые обычно составляют 10 -11 …10 -5 А. Быстродействие современных ФЭУ лежит в пределах 30...1 нс (1н=10 -9 с)

К ФП на основе внутреннего фотоэффекта относятся фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, МДП-фотоприемники и другие полупроводниковые ФП. Для измерения энергетических параметров излучения наиболее широкое распространение получили фотодиоды (ФД) и фоторезисторы (ФР)

Действие ФР основано на явлении фотопроводимости, заключающемся в возникновении свободных носителей заряда в некоторых полупроводниках и диэлектриках при падении на них оптического излучения. Фотопроводимость приводит к уменьшению электрического сопротивления и соответственно к увеличению тока, протекающего через фоторезистор

Общее выражение для абсолютной спектральной чувствительности ФР может быть представлено в виде:

(1.10)
где e - заряд электрона; V - объем освещенности части полупроводника; Q - квантовый выход внутреннего фотоэффекта; m - подвижность фотоносителей; t - время жизни фотоносителей; l - расстояние между контактами; u - напряжение, приложенное к ФР

ФР различных типов перекрывают широкий спектральный диапазон(0.4…25 мкм); большинство из них требует охлаждения до температуры жидкого азота или жидкого гелия, что вызывает дополнительные трудности при их использовании в измерительной аппаратуре в качестве ПИП. Кроме того, они обладают большей инерционностью и невысокой чувствительностью, что также ограничивает их применение для измерений энергетических параметров лазерного излучения

Наиболее широкое использование для этих целей имеют германиевые и кремниевые фотодиоды. Возникающие под действием излучения неосновные носители диффундируют через p-n- переход и ослабляют электрическое поле последнего, что приводит к изменению электрического тока в цепи. Фототок в широких пределах линейно зависит от интенсивности падающего излучения и практически не зависит от напряжения смещения. Для измерения энергетических параметров излучения обычно используют фотодиодный режим (с питанием), так как при этом диапазон линейности и быстродействие гораздо больше, чем в фотовольтаическом режиме (без питания). Важное значение для работы всех ФП имеет согласование с электронной схемой

Абсолютная спектральная чувствительность ФД:

S l = t x g x Q x l (1- r)/1.24 (1.11)
где t - коэффициент пропускания окна прибора; g - коэффициент

собирания носителей; Q - квантовый выход; l - длина волны излучения; r - коэффициент отражения

В рабочем спектральном диапазоне абсолютная спектральная чувствительность составляет десятые доли А/Вт . Область спектральной чувствительности кремниевых фотодиодов составляет 0.4…1.2 мкм (максимум около 0,85 мкм), германиевых - 0.3…1.8 мкм (максимум в области 1,5 мкм). Такие ПИП не требуют охлаждения. Темновые токи у кремниевых ФД примерно на порядок ниже, чем у германиевых и достигают 10 -5 …10 -7 А, а при специальной технологии изготовления - 10 -9 …10 -12 А. ФД обладают сравнительно низким уровнем шумов, что в сочетании с высокой чувствительностью делает, их ФП с низким порогом чувствительности. Это позволяет использовать ФД для измерений весьма слабых потоков излучения (до 10 -6 Вт)

Инерционность обычных полупроводниковых ФД составляет 10 -6 …10 -8 с, а временное разрешение Ge и Si лавинных ФД достигает 1…10 нс. ФД изготавливают с размерами фоточувствительной площадки примерно от долей мм до 10 мм, а лавинные ФД - до 1 мм

Для измерения относительно больших уровней мощности и энергии целесообразно применять ПИП с невысокой чувствительностью, т.е. ФЭ. Для измерения средних уровней энергетических параметров лазерного излучения можно применять как вакуумные приборы (ФЭУ), так и полупроводниковые (ФР, ФД) . Для измерения малых потоков требуются приемники с высокой чувствительностью и низким уровнем шума. Фотодиоды уступают по чувствительности ФЭУ. Однако ФД обладают низким уровнем шума. Это позволяет применять ФД для измерения малых потоков не непосредственно, а с помощью усилителя. В этом случае ФД вполне могут конкурировать с ФЭУ, а в ряде случаев и превосходить их по характеристикам

Основные преимущества ФД по сравнению с ФЭУ: небольшие габариты, низковольтное питание, высокая надежность и механическая прочность, более высокая стабильность чувствительности, низкий уровень шумов, лучшая помехозащищенность от электрических и магнитных полей

Недостатки ФД по сравнению с ФЭУ: меньшее быстродействие для большинства ФД, более сильное влияние температуры на параметры и характеристики прибора

Для измерения временных параметров лазерного излучения следует применять наиболее быстродействующие фотоэлектрические приемники - ФЭ, для измерения малых потоков - ФЭУ и лавинные ФД

Для измерения мощности лазерного излучения в непрерывном режиме могут быть использованы как вакуумные, так и полупроводниковые ФП, поскольку здесь не требуется их высокого быстродействия

Пондеромоторный метод

В пондемоторных измерителях энергии и мощности лазерного излучения используется эффект П. Н. Лебедева. Лазерное излучение падает на тонкую приемную металлическую или диэлектрическую пластину и давит на нее. Давление (сила) измеряется чувствительным преобразователем

Для измерения давления излучения используют различные преобразователи: емкостные, пьезоэлектрические, крутильные весы на механическом и магнитном подвесе, механотроны. Первые два типа большого распространения не получили из-за малого значения коэффициента преобразования, малой помехоустойчивости и сложности системы отсчета и регистрации. Наиболее широко применяются крутильные весы - классический прибор для измерения малых сил. Схема устройства приведена на рис.1.. На растяжках или подвесе 1 укреплено коромысло 2 с приемным крылом 3, противовесом 4 и зеркалом 5, расположенным в вакуумированной камере. При попадании оптического излучения на приемное крыло подвижная система отклоняется от положения равновесия на некоторый угол, по величине которого можно судить о значении оптической мощности или энергии. Крючок 6 предназначен для крепления груза при калибровке весов (определения их момента инерции и жесткости подвеса)

Из решения уравнения движения крутильного маятника можно получить значение угла поворота a приемной пластины 3 при воздействии на нее непрерывного излучения мощностью P

(1.12)
где r - коэффициент отражения пластины; t - коэффициент пропускания входного окна камеры; l - расстояние от оси пучка излучения до оси вращения; j - угол падения излучения на пластину; c - скорость света; K - жесткость подвеса. Аналогичное выражение можно получитъ для максимального угла разворота пластины a max - под действием импульса излучения энергией W u:

(1.13)
где J - момент инерции вращающейся системы. Углы поворота отсчитываются на шкале 8 по отклонению светового пятна от лампочки 7 (рис. 1.4). При известных параметрах системы формулы (1.12) и (1.13) позволяют определить энергию и мощность излучения в абсолютных единицах

В настоящее время в конструкцию пондеромоторных измерителей введено много усовершенствований, которые позволили улучшить их эксплуатационные и метрологические параметры. Прежде всего оказалось возможным отказаться от вакуумирования и использовать атмосферное давление воздуха в камере. Применение в качестве приемных элементов прозрачных диэлектрических пластин вместо отражающих металлических позволило увеличить верхний предел изменения энергии излучения (до 10 4 Дж). Такие устройства позволяют измерять мощность лазерного излучения, начиная с единиц миливатт, и энергию импульсов в десятые доли джоуля

Для отсчета угла поворота крутильных весов часто используют емкостный преобразователь. В этом случае пластина противовеса является одной из пластин конденсатора, включаемого в резонансный контур генератора. При повороте подвижной системы емкость конденсатора, а значит, и частота генератора меняются, изменение частоты измеряется частотным детектором. Чувствительность такой системы очень высока, но сама система громоздка и сложна в настройке и управлении

Другим способом реализации высокочувствительной системы отсчета является схема с двумя фоторезисторами, которые включены вместе с двумя постоянными резисторами в мостовую схему. В положении равновесия мост сбалансирован. При отклонении системы освещенность фоторезисторов меняется, мост разбалансируется и в его измерительной диагонали появляется ток, пропорциональный углу поворота, который регистрирует микроамперметр. Подобные системы индикации используются в гальванометрических фотоусилителях Ф117, Ф120, имеющих чувствительность около 0.1 А/рад, что позволяет измерять минимальный угол отклонения порядка нескольких угловых секунд

Увеличение чувствительности в пондеромоторных измерителях и улучшение развязки подвижной системы от толчков и вибраций достигнуты при помощи бесконтактного подвеса в магнитном поле (рис. 1.5). Подвижная система 1 с приемной пластиной 2, противовесом 3 и ферромагнитным якорем 4 подвешена в магнитном поле соленоида 5 внутри камеры. Ток соленоида регулируется специальной автоматической системой, состоящей из датчика 6, линейного 7 и дифференциального устройства 9. При изменении вертикального положения системы в ответ на сигнал датчика вырабатывается сигнал обратной связи, усиливающий или ослабляющий ток через соленоид и стабилизирующий положение системы. Поперечная устойчивость обеспечивается радиальным градиентом напряженности поля соленоида

Помимо крутильных весов для измерения используются механотроны, которые представляют собой электровакуумный прибор с механически управляемыми электродами. При воздействии внешнего механического сигнала в механотроне происходит перемещение одного или нескольких подвижных электродов, что вызывает соответствующее изменение анодного тока

Отечественная промышленность выпускает ряд механотронных преобразователей, оформленных в виде обычных электронных ламп с октальным цоколем (6MXIБ, 6MXЗС и др.) и в миниатюрном оформлении с гибкими выводами (6MXIБ и т.п.). Конструкция этих механотронов показана на рис. 1.6. Сам механотрон представляет собой диод с плоскопараллельными электродами. В стеклянном баллоне 1 находятся неподвижный катод 2 с подогревателем 3 и подвижный анод 4, жестко соединенный со стержнем 5, который впаян в гибкую мембрану 6. Входной механический сигнал (сила F) подается на внешний конец стержня. При этом подвижный анод перемещается относительно неподвижного катода, что приводит к изменению анодного тока и выходного сигнала преобразователя, который для измерения включают в мостовые схемы

Чувствительность механотронов не превышает 10 мА/г (или по мощности 10 -9 А/Вт). Такое значение чувствительности при величине флуктуаций тока 0.1 мкА, вызываемых температурным дрейфом, толчками и вибрациями, дает возможность уверенно измерять давление непрерывного излучения более 1кВт. Если излучение промодули ровать так, чтобы подвижная система механотрона вошла в резонанс, нижний предел измерения может достичь 100 Вт. Поэтому механотронный преобразователь обычно применяют для измерения больших уровней мощности и энергии импульсов лазерного излучения, например непрерывного излучения мощных СО 2 -лазеров и импульсного на стекле с неодимом

Опыт, накопленный при разработке и эксплуатации различных типов измерителей энергии и мощности лазерного излучения, позволяет сделать заключение об областях применения, достоинствах и недостатках различных методов

К достоинствам теплового метода измерения энергетических параметров лазерного излучения относятся широкие спектральный и динамический диапазоны измерения, простота и надежность измерительных средств. В настоящее время в некоторых калориметрических измерителях достигнута наиболее высокая точность измерения, а при использовании пироэлектрических приемников излучения и быстродействующих термоэлементов и болометров удалось получить быстродействие до единиц наносекунд

К недостаткам теплового метода можно отнести малое быстродействие и чувствительность как раз тех тепловых приборов, которые обеспечивают наиболее высокую точность измерения

В приборах, основанных на фотоэлектрическом действии излучения, достигаются максимальная чувствительность и быстродействие; это позволяет использовать их в качестве измерителей формы импульсов и импульсной мощности вплоть до субнаносекундного диапазона. Недостатками таких приборов является сравнительно узкий спектральный диапазон и обычно невысокий верхний предел измерения мощности (энергии), а также большая погрешность измерений (5…30%) по сравнению с тепловыми приборами

Преимущество пондеромоторного метода - высокий верхний предел измерения энергии и мощности излучения при достаточно высокой точности абсолютных измерений. Основной недостаток - жесткие требования к условиям эксплуатации (особенно к вибрации) и, вследствие этого, ограничения к применению в полевых условиях

Измерение основных параметров импульса лазерного излучения

Как известно ряд активных сред в силу принципиальных или технических ограничений обычно работают в импульсном режиме генерации, Сюда в первую очередь относятся лазеры на самоограниченных переходах - азотный лазер, генерирующий в УФ диапазоне (l =337,1 нм), и лазер на парах меди, дающий мощные импульсы зеленого излучения (l =510,5 нм), Еще более широко распространены рубиновые лазеры и лазеры на неодимовом стекле, импульсный характер генерации которых обусловлен прежде всего особенностями системы накачки и охлаждения активной среды. И наконец, в некоторых наиболее ответственных случаях для повышения пиковой мощности излучения некоторые лазеры переводятся в режим управляемой генерации; при этом наиболее часто используются методы управления добротностью резонатора для получения так называемого гигантского импульса и синхронизации продольных мод с целью получения пикосекундных (правильнее - сверхкоротких) импульсов

В результате возникает задача измерения основных параметров генерируемого лазером импульса излучения. Очевидно, что наиболее простым было бы построение измерений по схеме получения абсолютной зависимости мощности излучения от времени P(t) с последующим извлечением из нее всех интересующих величин - обычно это пиковая мощность P u,max =P(t *) , энергия импульса

и его длительность D t. Однако точность таких измерений обычно невелика. Поэтому, как правило, разделяют измерение временных (Р max и t u ) и энергетических (W ) параметров, что кроме повышения точности получаемых результатов позволяет упростить сами измерения. При этом измерение энергии импульса проводится обычно с помощью калориметрического измерителя (см.1.1), обеспечивающего наибольшую точность, или фотодиода с последующим интегрированием фототока, а измерение зависимости Р(t) - с помощью фотоэлектронного приемника с высоким временным разрешением. Именно по такой схеме построены серийные приборы марок ФН и ФУ, рассчитанные на работу в диапазоне 0.4…1.1 мкм при энергии в импульсе 10 -3 …10 Дж и пиковой мощности 10 4 …10 8 Вт; при длительности импульса t u =2.5…5 x 10 -9 с и частотой повторения F < 1 кГц погрешность измерения энергии d E » 20%, а мощность около 25%

Анализ параметров импульса с помощью осциллографа.

Для измерения формы импульса и его временных параметров (в частности, длительность импульса t u , времен нарастания и спада и т.п.) используют быстродействующие фотоприемники с высокой линейностью световой характеристики. К ним, в первую очередь, относятся специально разработанные во ВНИИОФИ коаксиальные фотоэлементы серии ФЭК, рассчитанные на нагрузку 75 Ом и напряжение питания 1000 В; их временное разрешение (собственная постоянная времени) колеблется в пределах от 10 -9 до 10 -10 с, и максимальный фототок от 1 до 7 А у разных марок, отличающихся конструкцией и типом фотокатода

Таким образом, вопрос об эффективном преобразовании светового импульса в электрический в первом приближении (по крайней мере для лазеров с "гигантским" импульсом) можно считать решенным. Для исследования формы полученного электрического импульса используются как обычные универсальные осциллографы с полосой пропускания до 10 7 Гц, так и специальные скоростные осциллографы с полосой пропускания 1...5 ГГц и чувствительностью ~ 1 мм/В. Последние обычно не имеют усилителя (вертикального входа), и сигнал в них подается непосредственно на верительные отклоняющие пластины, что и обеспечивает широкую полосу пропускания, но при низкой чувствительности к входному сигналу. Дальнейший анализ осциллограммы проводится по ее фотоснимку, а также при использовании ЭЛТ с длительным свечением люминофора или с накоплением заряда и последующим его многократным считывании

Ввиду плохой воспроизводимости параметров лазерных импульсов использование стробоскопических методов исследования не обеспечивает необходимой точности измерений и потому обычно не практикуется

Изучение формы сверхкоротких лазерных импульсов

Как указывалось в 1.1.2, наиболее быстродействующие фотоэлектрические приемники излучения имеют постоянную времени 10 -10 …10 -9 с, т.е. с их помощью можно надежно исследовать только "гигантские" импульсы, типичная длительность которых составляет 10 -8 с, а времена нарастания и спада могут быть значительно короче. Поэтому при исследовании временных зависимостей в случае наиболее коротких гигантских импульсов и, особенно, пикосекундных импульсов используют косвенные методы, основанные на применении временной развертки, используемой в электронных и оптических осциллографах. В настоящее время принцип сверхскоростной временной развертки реализован как на базе оптико-механической развертки с растрами (кинокамера типа "лупа времени"), Что позволяет зарегистрировать Набор малоинформативных двумерных изображений с частотой съемки 10 5 …10 8 кадр/с, так и на базе непрерывной одномерной (щелевой) оптико-механической развертки (щелевые фоторегистраторы) с временным разрешением от 10 -7 до 3 x 10 -9 с. Таким образом, использование оптико-механической развертки не позволяет сколько-нибудь существенно улучшить временное разрешение, обеспечиваемое малоинерционными фотоприемниками, но позволяет получить набор двумерных (например, распределение по поперечному сечению пучка) или одномерных (одномерное сечение пучка, спектр и т.п.) изображений, правда, только для излучения лазеров УФ, видимого и ближнего ИК диапазонов, что определяется ограниченным спектральным диапазоном используемых фотопленок

Поэтому в некоторых случаях применяют электронную развертку одно- или двумерных электронных "изображений", поступающих с фотокатода (сурьмяно-цезиевого, многощелочного или кислородно-цезиевого, что оговаривается при заказе конкретного прибора) ЭОПа. В случае использования кислородно-цезиевого фотокатода "красная" граница достигает 1.3 мкм. Однако более существенным преимуществом используемых для высокоскоростной регистрации ОЭПов является значительное усиление яркости регистрируемого изображения - до (10 3 …10 8) х в многокаскадных (2…6) приборах; это важно при регистрации маломощных пикосекундных импульсов. В зависимости от электронной системы развертки можно получить 9…12 отдельных кадров (двумерных изображений) с временем экспонирования до 10 -9 …5 x 10 -13 с, что обеспечивается отдельным электронным затвором, расположенным обычно у фотокатода. Частота смены кадров, обеспечиваемая за счет синхронной работы двух взаимно перпендикулярных систем электростатического отклонения (всего пучка фотоэлектронов), гораздо ниже, что затрудняет исследование динамики процесса генерации

По этой причине ЭОПы с разверткой обычно используют для исследования только временных зависимостей интенсивности сфокусированного (монохроматическим объективом) пучка излучения пикосекундного лазера. Применяемая при этом одномерная (обычно линейная) развертка может иметь скорость до 10 10 см/с, что обеспечивает получение на выходном люминесцентном экране (Æ 40 мм) с разрешением от 5…10 лин/мм (в 5-6-каскадных ЭОПах) до 50 лин/мм (в однокаскадных) временной разрешающей способности 10 -11 с. Рекордная скорость одномерной (спиральной) развертки (6 x 10 10 см/с) достигнута в ЭОПе "Пикохрон-1" за счет использования на отклоняющих пластинах СВЧ-напряжения (l = 3 см);

соответственно при разрешающей способности (не экране) 5 лин/мм временное разрешение моют достигать 5 x 10 -13 с, что соответствует временным разбросам пролета электронов в пучке, и поэтому не может быть улучшено повышением скорости развертки. Характерно, что для обеспечения удовлетворительных яркости характеристик выходного сигнала (спирали на люминесцентных экранах) "Пикохрон-1" имеет шестикаскадную систему усиления, в результате чего яркость возрастает в 10 7 …10 8 раз по сравнению с исходной (но существенно падает разрешающая способность выходного "изображения")

Таким образом, вопрос исследования временных зависимостей генерации пико- и даже фемтосекундных импульсов лазерного излучения можно считать в первом приближении решенным. Однако сложность, высокая стоимость, громоздкость и необходимость высококвалифицированного обслуживания затрудняет в некоторых случаях практическое использование камер с оптико-механической и электронной развертками

Начали продаваться в 2002 году. Самый распространенный тип твердотельных лазерных указок с диодной накачкой (DPSS). Мощность таких указок от 5 до 800 милливатт (mw). Диоды зелёного цвета не производятся, используется другая схема производства таких указок. Устройство намного сложнее чем у обычных красных или синих лазерных указок. Зелёный свет получают довольно сложным способом из за чего мощные зеленые лазерные указки, стоят очень дорого.

Сначала мощным (обычно >100 мВт инфракрасным лазерным диодом с λ=808 нм накачивается кристалл ортованадата иттрия с неодимовым легированием, где излучение преобразуется в 1064 нм. Потом, проходя через кристалл титанила-фосфата калия, частота излучения удваивается (1064 нм → 532нм) и получается видимый зелёный свет. Отметим высокую энергозатратность зелёных лазерных указок - в большинстве используются две AA/AAA/CR123/18650 батареи. Фокусируемая зеленая лазерная указка мощностью от 200мВт, способна зажигать спички, изоленту, тёмную пластмассу и т. д.).

Красные лазерные указки

Самые распространенные лазерные указки красного цвета . В таких указках используется красные лазерные диоды с длинной волны 650нм 660нм или более видимый 635нм. Мощность бывает приблизительно от 1 до 1000 милливатт (mw). Мощные красные указки 650нм - одни из самых дешевых по соотношению цена/мощность. Фокусируемая красная лазерная указка мощностью от 200мВт, способна зажигать спички, изоленту, тёмную пластмассу и т. д.).

Более редкие красные лазерные указки используют Твердотельный лазер c диодной накачкой (DPSS) и работают на длине волны 671 нм.

Синие лазерные указки

445 нм (синий цвет)

У этих лазерных указок, свет излучается, мощным синим лазерным диодом. Такие лазерные указки относится к 4-му классу опасности и представляет серьёзную опасность для глаз и кожи. Мощность таких лазерных указок бывает 500mw, 1000mw и более дорогие 1500mw и 2000mw. Это самые мощные лазерные указки на сегодняшний день. Другие указки, достигать таких мощностей не могут. По соотношению цена/мощность, мощные синие лазерные указки, являются самыми выгодным приобретением на сегодняшний день. Такие указки прожигает все подряд вплоть до дерева.

473 нм - Аргоновый (бирюзовый цвет)

Такие лазерные указки появились лишь в 2007 году и имеют схожий с зелёными лазерными указками принцип работы (DPSS). Длину волны 473нм обычно получают, путем удвоения частоты 946нм излучения. Для получения 946нм используется кристалл алюмо-иттриевого граната с добавками неодима. Такие указки очень дорогие в производстве, из за их низкого КПД. Мощность таких указок бывает от 1 до 50 милливатт(mw). Но сегодня можно заказать даже такую редкую и эксклюзивную лазерную указку. Невероятно красивый луч бирюзового цвета, выглядит просто потрясающе!

Фиолетовые лазерные указки

Фиолетовые указки имеют лазерный диод 405нм. Длина волны 405нм находится на границе диапазона светового спектра, видимого человеческому зрению и поэтому, луч таких указок кажется тусклым. Однако, свет таких лазерных указок, вызывает флюоресценцию предметов, на которые направлен лазерный луч. Фиолетовые лазерные указки стали продаваться после появления Blu-ray приводов. Мощность таких указок бывает от 5 до 500 мВт. Фокусируемая фиолетовая лазерная указка мощностью от 200мВт, способна зажигать спички, изоленту, тёмную пластмассу и т. д.)

Жёлтые лазерные указки

Лазерные указки желтого цвета так же используется DPSS технологию и излучают одновременно два пучка света: 1064нм и 1342нм. Излучение попадает в нелинейный кристалл, который поглощает фотоны двух пучков и излучает фотоны 593,5нм (суммарная энергия 1064 и 1342 нм фотонов равна энергии фотона 593,5 нм). КПД таких указок не вероятно низок около 1 %. Тем самым делая их самыми дорогими и мало распространенными.