ПРИНЦИП РАБОТЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЛАЗЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

OPERATING PRINCIPLE AND DEVELOPMENT PROSPECTS FOR LASER TECHNOLOGIES

Antropova Anastasia Alekseevna

Student, Department of Computer Science and Robotic Systems, Volga Region State University of Telecommunications and Informatics,

Russia, Samara

Chabanenko Yulia Vladimirovna

Student, Department of Computer Science and Robotic Systems, Volga Region State University of Telecommunications and Informatics,

Russia, Samara

Zhukov Sergey Vadimovich

Academic Supervisor, PhD in Physics and Mathematics, Assoc. Professor, Volga Region State University of Telecommunications and Informatics,

Russia, Samara

АННОТАЦИЯ

В данной статье рассматриваются физические основы работы лазеров, базирующиеся на явлении вынужденного излучения. Подробно разбираются ключевые принципы: инверсия заселенностей, оптический резонатор и процесс генерации когерентного света. В работе проанализированы современные применения лазерных технологий в промышленности (резка, сварка, гравировка) и медицине (хирургия, офтальмология, дерматология). Особое внимание уделено перспективным направлениям развития, таким как ультракороткоимпульсные лазеры, аддитивные технологии, фотоника и квантовые вычисления. Статья предназначена для студентов технических и медицинских специальностей, а также всех, кто интересуется современными технологиями.

ABSTRACT

This article examines the physical principles of laser operation, based on the phenomenon of stimulated emission. Key principles are explored in detail: population inversion, optical resonators, and the process of generating coherent light. The paper analyzes modern applications of laser technology in industry (cutting, welding, engraving) and medicine (surgery, ophthalmology, dermatology). Particular attention is paid to promising areas of development, such as ultrashort-pulse lasers, additive manufacturing, photonics, and quantum computing. This article is intended for students of technical and medical disciplines, as well as anyone interested in modern technologies.

Ключевые слова: лазер, вынужденное излучение, инверсия заселенностей, оптический резонатор, когерентный свет, лазерная резка, лазерная хирургия, аддитивные технологии, ультракороткие импульсы.

Keywords: laser, stimulated emission, population inversion, optical resonator, coherent light, laser cutting, laser surgery, additive technologies, ultrashort pulses.

Введение

Лазер (от английского Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – «Усиление света с помощью вынужденного излучения») – одно из самых значимых изобретений XX века. С момента создания первого работоспособного лазера в 1960 году эти устройства кардинально изменили множество областей человеческой деятельности: от связи и производства до медицины и науки. Уникальные свойства лазерного излучения – когерентность, монохроматичность, малая расходимость пучка и высокая плотность мощности – делают его незаменимым инструментом. Цель данной статьи – доступным языком объяснить физические принципы, лежащие в основе работы лазеров, описать их текущее применение и обозначить наиболее перспективные пути развития лазерных технологий.

1. Физические основы работы лазеров

1.1. Вынужденное излучение – краеугольный камень лазера

Основой для работы лазера послужила теория, выдвинутая Альбертом Эйнштейном еще в 1917 году. Он предположил, что атом, находящийся в возбужденном энергетическом состоянии, может перейти в состояние с более низкой энергией не только самопроизвольно (спонтанное излучение), но и под воздействием внешнего фотона, энергия которого точно равна разности энергий между уровнями.

Ключевая особенность вынужденного излучения заключается в том, что рожденный фотон является точной копией фотона, который вызвал этот процесс: он имеет ту же самую энергию (частоту), фазу, направление распространения и поляризацию. Именно это свойство позволяет получить когерентное и монохроматичное излучение.

1.2. Условие генерации: инверсия заселенностей

В обычных условиях при термодинамическом равновесии число атомов на нижнем энергетическом уровне всегда больше, чем на верхнем (согласно распределению Больцмана). Поэтому при прохождении света через вещество поглощение (переход атомов с нижнего уровня на верхний) преобладает над вынужденным излучением.

Чтобы усилить свет, необходимо создать особое состояние активной среды, при котором число возбужденных атомов превышает число атомов в основном состоянии. Это состояние называется инверсией заселенностей. Его создание – сложная техническая задача, решаемая с помощью различных методов накачки (подачи энергии в систему):

Оптическая накачка: Облучение активной среды мощной вспышкой света или излучением другого лазера.

Электрическая накачка: Пропускание электрического тока через газовую смесь или полупроводниковый p-n-переход.

Химическая накачка: Использование энергии химических реакций.

1.3. Конструкция лазера: оптический резонатор

Для создания мощного лазерного луча одной инверсии заселенностей недостаточно. Необходимо обеспечить многократное прохождение излучения через активную среду, чтобы каждый фотон успел вызвать лавину вынужденных излучения. Для этого лазер снабжается оптическим резонатором – системой из двух зеркал, расположенных строго параллельно друг другу по краям активной среды. Одно зеркало делается полностью отражающим. Второе – полупрозрачным (выходное зеркало).

Фотоны, движущиеся вдоль оси резонатора, многократно отражаются от зеркал, вызывая по пути все новые и новые акты вынужденного излучения. Таким образом, световой поток лавинообразно нарастает. Часть этого мощного излучения проходит через полупрозрачное зеркало, формируя знакомый лазерный луч.

2. Современное применение лазерных технологий

.1. Лазеры в промышленности

Лазеры произвели революцию в обрабатывающей промышленности благодаря своей точности, скорости и возможности автоматизации.

Резка и сварка: Мощные волоконные и CO₂-лазеры легко справляются с металлами, пластиком, керамикой и композитами. Лазерная резка обеспечивает идеально ровные кромки без заусенцев, а сварка позволяет создавать прочные и чистые швы без деформации материала.

Маркировка и гравировка: Лазеры используются для нанесения несмываемых маркировок, QR-кодов, логотипов и сложных изображений на любые материалы – от металла и стекла до пластика и кожи.

Аддитивные технологии (3D-печать): Технологии селективного лазерного сплавления (SLM) и лазерного наплавления (DED) позволяют послойно «выращивать» сложные детали из металлического порошка, что невозможно сделать традиционными методами.

2.2. Лазеры в медицине

В медицине лазеры используются как высокоточный «световой скальпель», позволяющий проводить манипуляции с минимальным повреждением окружающих тканей.

Хирургия: CO₂-лазеры применяются в общей хирургии для рассечения тканей с одновременной коагуляцией сосудов, что уменьшает кровопотерю. В офтальмологии эксимерные лазеры корректируют зрение (LASIK, PRK), а в стоматологии – для обработки кариеса и отбеливания зубов.

Дерматология и косметология: Лазеры на красителях и неодимовые лазеры эффективно удаляют сосудистые сеточки, татуировки, пигментные пятна и нежелательные волосы. Дробление камней в почках (литотрипсия) также проводится с помощью лазеров.

Диагностика и терапия: Лазерная допплеровская флоуметрия измеряет микроциркуляцию крови, а низкоинтенсивная лазерная терапия (LLLT) используется для ускорения заживления ран и снятия болевых синдромов.

Таблица 1.

Примеры применения лазеров в зависимости от типа

3. Перспективы развития лазерных технологий

Развитие лазерных технологий идет по пути увеличения мощности, сокращения длительности импульсов, уменьшения размеров и стоимости установок, а также освоения новых спектральных диапазонов.

1. Ультракороткоимпульсные лазеры (фемто- и аттосекундные): Эти лазеры генерируют импульсы невероятно малой длительности (10⁻¹⁵ – 10⁻¹⁸ с). За время импульса тепло не успевает передаться окружающему материалу, что позволяет осуществлять холодную абляцию – испарять вещество с точностью до нанометра без повреждения соседних областей. Это открывает возможности для создания наноструктур, высокоточной обработки хрупких материалов и изучения сверхбыстрых химических и биологических процессов.

2. Лазеры для аддитивных технологий и новых материалов: Будущее за созданием «умных» лазерных систем для 3D-печати функционально-градиентных материалов и металлических матричных композитов с заданными свойствами.

3. Интеграция с фотоникой и квантовыми технологиями: Лазеры являются основным элементом фотонных интегральных схем, которые приходят на смену электронным. Они также критически важны для работы квантовых компьютеров (для управления кубитами) и систем квантовой связи, обеспечивающей абсолютную защиту от прослушивания.

4.  Зеленые лазеры и экология: Развиваются лазерные технологии для решения экологических проблем: лазерное разделение мусора для переработки, лазерное удаление загрязнений с поверхностей, а также управление термоядерным синтезом (лазерный термояд).

Заключение

Лазерные технологии прошли огромный путь от фундаментальной физической идеи до становления краеугольным камнем современного технологического уклада. Понимание принципов их работы, основанных на вынужденном излучении и инверсии заселенностей, позволяет оценить всю глубину этого изобретения. Уже сегодня лазеры являются незаменимым инструментом в промышленности и медицине, а перспективы их развития, связанные с ультракороткими импульсами, аддитивными технологиями и квантовой фотоникой, обещают новые прорывы в науке и технике. Лазер по праву остается одним из самых динамично развивающихся и многообещающих направлений XXI века.

Список литературы:

1. Учебное пособие по лазерным технологиям. – СПб: Университет ИТМО, [электронный ресурс] // URL: `https://books.ifmo.ru/file/pdf/460.pdf`
2. Что такое лазер? Принцип работы и виды. – LaserStore.ru, [электронный ресурс] // URL: `https://laserstore.ru/blog/chto-takoe-lazer/
3. Будущее лазерных технологий: какие инновации ждать в ближайшие годы. – Лассард, [электронный ресурс] // URL: `https://lassard.ru/news/blog/budushchee-lazernyh-tekhnologij-kakie-innovacii-zhdat-v-blizhajshie-gody`
4. Лазерные технологии в промышленности и науке. – Photonics Expo, [электронный ресурс] // URL: `https://www.photonics-expo.ru/ru/articles/lazernye-tekhnologii/
5. Тенденции развития лазерных технологий. – Piotec Global, [электронный ресурс] // URL: `https://ru.piotecglobal.com/2687-basic/1442-future-development-trend-of-laser-techn.html
6. Физические основы квантовой электроники. Вынужденное излучение. – БИИК СибГУТИ, [электронный ресурс] // URL: `https://biik.ru/uchebnik/cvosp_vosp/page6.html