Луч лазера: Лазерный луч: как создавали устройство с бесконечными возможностями

Содержание

Лазерный луч: как создавали устройство с бесконечными возможностями

https://ria.ru/20171210/1510522571.html

Лазерный луч: как создавали устройство с бесконечными возможностями

Лазерный луч: как создавали устройство с бесконечными возможностями — РИА Новости, 11.12.2017

Лазерный луч: как создавали устройство с бесконечными возможностями

Без лазеров не обходится практически ни одна сфера нашей жизни. Их используют военные и врачи, строители и школьники. Лазеры работают в персональных… РИА Новости, 10.12.2017

2017-12-10T08:00

2017-12-11T15:12

/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content

/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content

https://cdnn21.img.ria.ru/images/150748/09/1507480982_0:137:3072:1865_1920x0_80_0_0_ff8777c73e0b71e66ce5de1a82f4260b.jpg

РИА Новости

4.7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og. xn--p1ai/awards/

2017

РИА Новости

4.7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

Новости

ru-RU

https://ria.ru/docs/about/copyright.html

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/

РИА Новости

4.7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

1920

1080

true

1920

1440

true

https://cdnn21.img.ria.ru/images/150748/09/1507480982_21:0:2752:2048_1920x0_80_0_0_572f61fd40d59626c67443821d76504c.jpg

1920

true

РИА Новости

4.7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

РИА Новости

4. 7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

национальный исследовательский ядерный университет «мифи»

Наука, Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

МОСКВА, 10 дек — РИА Новости. Без лазеров не обходится практически ни одна сфера нашей жизни. Их используют военные и врачи, строители и школьники. Лазеры работают в персональных компьютерах, на спутниках. С их помощью в лабораториях получают потоки энергии, по мощности сравнимые с ядерным взрывом, и охлаждают среду до сверхнизких температур. Изобретение лазера настолько значимо, что за работы, послужившие этому, ученые получили Нобелевские премии. Одному из научных отцов лазера, советскому физику Николаю Геннадиевичу Басову 14 декабря исполнилось бы 95 лет.

26 июня 2017, 18:02

Сверхъяркий лазер заставил электрон «нарушить» законы физики

К изобретению лазера привели исследования процессов, происходящих в атоме. Электроны в нем могут занимать разные энергетические уровни — чем выше уровень, тем дальше он расположен от ядра. Точнее, существует вероятность обнаружить электрон на том или ином месте, и «находится» он там, где она наиболее высока.

При переходе электронов на уровень выше или ниже соответственно поглощается или выделяется квант света — фотон, обозначающий самую малую порцию энергии электромагнитной волны. Причем если излучение будет вынужденным, то есть порожденным внешним воздействием, некоторые параметры колебаний фотонов будут тождественны. За счет этого достигается узость диапазона длин волн, характерная для лазерного света.

Чтобы атом излучал фотоны, электроны должны переходить на уровень ниже. А для этого их нужно сначала загнать на более высокие уровни с помощью внешнего воздействия. Физики называют этот процесс накачкой. Атом, в котором электроны занимают более высокие уровни, именуют возбужденным.

Возбужденные атомы будут испускать свет непрерывно, если обеспечить обратную связь. Вынужденное излучение, раз возникнув, должно вновь и вновь вызывать прыжок электронов на уровень выше после того, как они испустят фотоны. Для этого излучательную среду, например кристалл, помещают в оптический резонатор, который представляет собой систему двух зеркал. Резонатор обеспечивает многократное продуцирование световых волн, вследствие чего достигается высокая мощность излучения, то есть увеличивается количество фотонов.

В 1916 году Альберт Эйнштейн впервые ввел понятие о вынужденном (индуцированном) испускании и поглощении фотонов. Спустя два десятка лет советский физик Валентин Фабрикант указал на возможность использовать вынужденное испускание для усиления электромагнитного излучения при его прохождении через вещество.

В мае 1952 года на Общесоюзной конференции по радиоспектроскопии Николай Басов и его научный руководитель Михаил Прохоров сделали доклад о том, что есть возможность использования вынужденного испускания для усиления и генерирования миллиметровых волн. Практически одновременно такое предположение высказал в Колумбийском университете американский физик Чарльз Таунс.

«В июле 1954 года в журнале Physics Review Letters была опубликована статья Чарльза Таунса, Дж. Гордона и Г. Цайгера, полученная редакцией 5 мая 1954 года. В статье сообщалось о том, что «создана и работает экспериментальная установка, которая может быть использована в качестве микроволнового спектрометра высокого разрешения, микроволнового усилителя или очень стабильного генератора». Это было первое сообщение о реализации молекулярного генератора — мазера», — рассказывает Евгений Проценко, профессор кафедры лазерной физики НИЯУ МИФИ.

Первый источник электромагнитного излучения, работающий на переходах молекулы аммиака, испускал волну света длиной 1,25 сантиметра. Устройство назвали «мазер», сократив фразу «усиление микроволн с помощью вынужденного излучения» (microwave amplification by stimulated emission of radiation). Предшественник лазера создали одновременно и независимо две научные группы — в Физическом институте имени П. Н. Лебедева АН СССР под руководством Николая Басова и Михаила Прохорова и в Колумбийском Университете в США под руководством Чарльза Таунса.

«Обе группы предложили и создали аммиачный мазер в самом деле одновременно, о чем и свидетельствует Нобелевская премия. Поразительно, что при огромной разнице стартовых условий — мирная жизнь в США и военные и послевоенные годы в СССР — научные группы все же «сравняли счет» и одновременно сделали открытие, вознагражденное согласно его значимости», — делится воспоминаниями доктор физико-математических наук Иосиф Зубарев, профессор кафедры лазерной физики НИЯУ МИФИ, работавший вместе с Николаем Басовым.

Собственно, лазер (сокращение от фразы light amplification by stimulated emission of radiation, что по-русски означает «усиление света посредством вынужденного излучения») появился на свет лишь спустя шесть лет после создания мазера. Это время было потрачено на поиск материалов и технологий, которые позволили достичь диапазона волн лазерного излучения — от 0,1 до 1000 микрометров.

«Шестнадцатого мая 1960 года в Лаборатории Хьюза (Калвер-Сити, Калифорния, США) физик Теодор Мейман реализовал условия для возникновения вынужденного излучения. Ученый использовал импульсную газоразрядную лампу, окружающую кристалл рубина длиной 1,5 сантиметра и около одного сантиметра в поперечнике. Спектр излучения рубина немного сузился, что свидетельствовало о вынужденном излучении света. Это было днем рождения лазера», — комментирует Андрей Кузнецов, исполняющий обязанности директора Института ЛаПлаз НИЯУ МИФИ.

Николай Басов, выпускник МИФИ, известного раньше как Московский механический институт, организовал и возглавил там в 1978 году кафедру квантовой электроники. С 2016 года работу, начатую нобелиатом, продолжают в Институте лазерных и плазменных технологий (ЛаПлаз) НИЯУ МИФИ, объединившем несколько кафедр.

Группа теоретиков ЛаПлаз и университета Бордо в 2015-2017 годах предсказала возможность создания сверхмощными лазерными импульсами магнитных полей с напряженностью до сотен миллионов Гаусс и выше, «вмороженных» в плазму. Такие поля на порядки превышают достижимые в настоящее время другими методами. Способ генерации основан на взаимодействии с мишенями особенной геометрии, устроенной таким образом, что токи ускоренных лазерным излучением частиц образуют мощнейший соленоид.

2 января 2017, 14:42

Сибирские физики готовятся к нагреву плазмы свыше 10 миллионов градусов

И совсем недавно, в октябре 2017 года, это предсказание получило подтверждение. На эксперименте, который проводился международной командой в Германии на установке PHELIX в GSI (Институт тяжелоионных исследований, Дармштадт), работали, в том числе, и студенты НИЯУ МИФИ. Полученные результаты хорошо согласуются с теоретическими предсказаниями и открывают новые перспективы в фундаментальных и прикладных исследований, связанных так или иначе с магнитными полями и замагниченной плазмой.

Поскольку новый метод использует энергию лазерного излучения, то есть является «оптическим», особенно перспективным он выглядит в лазерно-физических исследованиях. В первую очередь речь идёт о задачах так называемой лабораторной астрофизики, то есть явлениях, которые впервые наблюдались в космосе. Астрофизическая плазма часто оказывается сильно замагниченной, что при пересчёте на параметры лабораторной плазмы соответствует магнитным полям свыше миллионов или даже миллиардов Гаусс, для генерации которых новый метод окажется незаменимым.

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

Принцип образования и работы лазерного луча в стоматологии: Стоматология Столица

21.10.2022 12:13

Принцип образования лазера. Основным физическим процессом, который определяет действие лазера является вынужденное испускание излучения. Это испускание образуется при тесном взаимодействии фотона с возбужденным атомом в момент точного совпадения энергии фотона с энергией возбужденного атома (молекулы). В конечном итоге этого тесного взаимодействия атом (молекула) переходит из возбужденного состояния в невозбужденное, а излишек энергии излучается в виде нового фотона с абсолютно такой же энергией, поляризацией и направлением распространения, как и у первичного фотона. Простейший принцип работы заключается в колебании луча света между оптическими зеркалами и линзами, набирающим силу с каждым циклом. Когда достигается достаточная мощность, луч испускается. Этот выброс энергии вызывает тщательно контролируемую реакцию.

Основным физическим процессом, который определяет действие лазерных аппаратов, является вынужденное испускание излучения. Это испускание образуется при тесном взаимодействии фотона с возбужденным атомом в момент точного совпадения энергии фотона с энергией возбужденного атома (молекулы). В конечном итоге этого тесного взаимодействия, атом (молекула) переходит из возбужденного состояния в невозбужденное, а излишек энергии излучается в виде нового фотона с абсолютно такой же энергией, поляризацией и направлением распространения, как и у первичного фотона.

Простейший принцип работы стоматологического лазера заключается в колебании луча света между оптическими зеркалами и линзами, набирающим силу с каждым циклом. Когда достигается достаточная мощность, луч испускается.

Этот выброс энергии вызывает тщательно контролируемую реакцию.

*Flash tube = энергия накачки

Mirrored Surface = непрозрачное зеркало

Partially Mirrored Surface = частично прозрачное зеркало

Atoms = атомы

Атомы испускают фотоны, некоторые из этих фотонов двигаются в направлении, параллельном оси трубки, и они «отскакивают» назад от непрозрачного зеркала, а часть выводится в виде лазерного пучка.

Лазеры в стоматологии

Активному посреднику (газ, жидкость или твердое вещество) передается возбуждение от источника энергии, результат — монохромная (одного цвета), коллимированная (передающаяся в одном направлении), когерентная (все световые волны синхронны) лазерная энергия.

ЛАЗЕРНАЯ ЭНЕРГИЯ

МОНОХРОМНАЯ – ПРАКТИЧЕСКИ ОДНОГО ЦВЕТА

КОЛЛИМИРОВАННАЯ — ПЕРЕДАЕТСЯ В ОДНОМ НАПРАВЛЕНИИ

КОГЕРЕНТНАЯ — ВСЕ СВЕТОВЫЕ ВОЛНЫ СИНХРОННЫ

Активный посредник определяет такие характеристики лазера, как цвет и длина волны.

Существует четыре типа лазеров:
Твердотельные лазеры используют лазерное вещество, распределенное в твердой матрице. Одним из примеров является Неодим — YAG лазер. Термин YAG является сокращением для кристалла: алюмоиттриевый гранат, который служит как носитель для ионов неодима. Этот лазер излучает инфракрасный луч с длиной волны 1,064 микрометра. Вспомогательные устройства, которые могут быть как внутренними, так и внешними по отношению к резонатору, могут использоваться для преобразования выходного луча в видимый или ультрафиолетовый диапазон.

В газовых лазерах используется газ или смесь газов в трубке. В большинстве газовых лазеров используется смесь гелия и неона (HeNe), с первичным выходным сигналом в 632,8 нм (нм = 10-9 метра) видимого красного цвета. Впервые такой лазер был разработан в 1961 году и стал предвестником целого семейства газовых лазеров. Все газовые лазеры довольно похожи по конструкции и свойствам. Например, CO2 газовый лазер излучает длину волны 10,6 микрометров в дальней инфракрасной области спектра.

Аргоновый и криптоновый газовые лазеры работают с кратной частотой, излучая преимущественно в видимой части спектра. Основные длины волн излучения аргонового лазера — это 488 и 514 нм.

В лазерах на красителе используется лазерная среда, которая обычно является сложным органическим красителем в жидком растворе или суспензии. Наиболее значительная особенность этих лазеров — это их «приспособляемость». Правильный выбор красителя и его концентрации позволяет генерировать лазерный свет в широком диапазоне длин волн в видимом спектре или около него. В лазерах на красителе обычно применяется система оптического возбуждения, хотя в некоторых типах таких лазеров используется возбуждение при помощи химических реакций. Наиболее часто используемый лазер на красителе — это Родами 6G, который обеспечивает настраиваемость в диапазоне частот шириной 200 нм в красной части спектра (620 нм).

Полупроводниковые лазеры (иногда называемые диодными лазерами) нельзя путать с твердотельными лазерами.

Полупроводниковые лазеры состоят из двух слоев полупроводникового материала, сложенных вместе. Эти лазеры обычно очень маленького размера и очень умеренной мощности. Однако они могут объединяться в большие системы. Наиболее распространенным диодным лазером является диодный лазер на арсениде галлия с основным излучением на 840 нм.

Взаимодействие лазера с тканью

Воздействие лазерного излучения на биологические структуры зависит от длины волны излучаемой лазером энергии, плотности энергии луча и временных характеристик энергии луча. Процессы, которые могут при этом происходить — поглощение, передача, отражение и рассеивание.

Поглощение — атомы и молекулы, которые составляют ткань, преобразовывают лазерную световую энергию в высокую температуру, химическую, акустическую или нелазерную световую энергию. На поглощение влияют длина волны, содержание воды, пигментация и тип ткани.

Передача — лазерная энергия проходит через ткань неизмененной.

Отражение — отраженный лазерный свет не влияет на ткань.

Рассеивание — индивидуальные молекулы и атомы принимают лазерный луч и отклоняют силу луча в направлении, отличном от исходного. В конечном счете, лазерный свет поглощается в большом объеме с менее интенсивным тепловым эффектом. На рассеивание влияет длина волны.

— Познакомьтесь как применяется лазер в нашей стоматологии

— Познакомьтесь как происходит лечение пародонтита при помощи лазера

— Познакомьтесь как происходит отбеливание зубов при помощи лазера

Основные типы взаимодействия лазера с тканью

ФОТОТЕРМИЧЕСКОЕ

Под микроскопом фототермические процессы могут быть представлены как поглощение фотона органической молекулой, которая при этом переходит в состояние вибрационного вращения, с последовательным раздражением, полученным от анелестического удара о соседнюю молекулу, к которой, таким образом, перейдет ее кинетическая энергия. Этот процесс безизлучательных потерь происходит в пределах самого короткого промежутка (1 — 100 в сек. ), а последующее быстрое нагревание повысит окружающую температуру. Макроскопические, биологические эффекты фототермического типа могут быть классифицированы согласно некоторым отличиям термодинамических процессов, главным гистологическим изменениям, отображенным в таблице ниже:

ФОТОХИМИЧЕСКОЕ

— Запуск химических реакций — фотополимеризация (например, активация системы лазерного отбеливания)

— Разрушение химических связей в молекулах, вызванное лазерным излучением

Фотодинамическая терапия: создание биохимических реактивных форм кислорода

БИОСТИМУЛЯЦИЯ

Обеспечивает избавление от боли

— Стимулирует заживление ран

— Видоизменяет биологический процесс

— Поглощение лазерной энергии биологическими тканями

Пример: поглощение лазерной энергии различных типов лазеров в коже

После возбуждения, источник лазера излучает электромагнитное излучение с очень высокой направленностью и большой спектральной чистотой, с возможностью концентрации очень высокой энергии на ограниченных поверхностях.

Чтобы добиться желательного клинического эффекта, излучение лазера должно поглощаться целевой тканью. Взаимодействие ткани с лазером зависит от характеристик используемого лазера, длины его волны, его эффективной мощности, форм облучения, таких как интенсивность излучения и продолжительность обработки, и от характеристик целевой ткани, количества содержания в ткани воды, гемоглобина и пигментов. Использование лазера в медицине, в частности в стоматологии, базируется на точном поглощении лазерной радиации водой, содержавшейся в тканях, гемоглобином, содержавшимся в крови и пигментами, которые находятся в некоторых тканях. Вода поглощает инфракрасное излучение, с максимальным поглощением около 3000 нм; гемоглобин представляет спектр поглощения от ультрафиолетового до видимого (немного меньше чем 640 нм), пигменты и хромофоры представляют спектр поглощения, расширенный от ультрафиолетового до близкого к инфракрасному.

*Absorption — поглощение

Wavelength — длина волны (нм)

Когда лазерный луч направлен на ткани, то вода, что составляет высокий процент ткани, поглощает энергию, преобразовывая ее в высокую температуру. С интенсивностью в несколько Вт на квадратный миллиметр, вода, находящаяся в ткани, мгновенно закипает и испаряется. Если перемещать наконечник по ткани, то луч ведет себя как скальпель, формируя разрез, глубина которого зависит от интенсивности луча и скорости движения.

Система подачи лазерного луча

Лазерная энергия от источника может подаваться к ткани с помощью различных систем доставки. В медицинских стоматологических лазерах применяются оптоволоконная и шарнирная системы подачи лазерного луча. В стоматологических лазерах DOCTOR SMILE™ для передачи используется оптоволоконная система подачи, имеющая ряд преимуществ перед шарнирной:

— гибкость, возможность применения в труднодоступных участках, эргономичность

— полное сохранение качества лазерного излучения

— не требуется сложного технического обслуживания (например, выравнивания зеркал при ударе у лазеров с шарнирной системой подачи излучения)

Классификация лазеров и безопасность

Существуют четыре класса лазеров. Вся продукция компании Lambda Scientifica относится к четвертому классу лазеров.

Лазеры класса 1. Не представляют опасности при непрерывном наблюдении или разработаны так, чтобы предотвратить попадание биоткани под лазерное излучение (например, лазерные принтеры)

Видимые лазеры класса 2. (от 400 до 700 нм). Лазеры, излучающие видимый свет, который из-за естественной человеческой отрицательной реакции обычно не представляют опасности, но могут представлять, если смотреть прямо на лазерное излучение в течение продолжительного времени

Лазеры класс 3a. Лазеры, которые обычно не причиняют вред при кратковременном попадании в глаза, но могут представлять опасность при наблюдении с использованием собирающей оптики (волоконно-оптическая лупа или телескоп)

Лазеры класс 3b. Лазеры, которые представляют опасность для глаз и кожи при прямом попадании лазерного излучения. Лазеры класса 3b не генерируют опасное диффузное отражение, за исключением попадания с близкого расстояния

Лазеры класса 4. Лазеры, которые представляют опасность для глаз в результате прямого, зеркального и диффузионного отражений. Кроме того, такие лазеры могут быть пожароопасными и вызывать ожоги на коже

Необходимые меры безопасности:

— Персонал, уполномоченный работать должен носить предоставленные защитные очки

— Запрещается направлять лазер в глаза

— Запрещается смотреть непосредственно в отверстие, где находится оптический световод

— Отверстие световода оптического диодного соединителя должно всегда оставаться закрытым, световод должен быть или вставлен или на нем должен быть защитный колпачок

— Удалите с места работы все отражающие и металлические объекты, включая личные вещи, например часы и кольца, поскольку они могут отразить лазерное излучение

— Запрещается направлять лазер на одежду

— Рекомендуется использовать только абсолютно сухую одежду соответственного цвета

— Удалить все потенциально огнеопасные материалы

— Никогда не используйте огнеопасный газ во время лазерного излучения

криптокошельки, робот-пылесос и цифровые ассистенты / Хабр

Лазерная техника много чего дала человечеству — столько, что для описания не хватит ни статьи, ни целой серии книг, где все это будет описано хотя бы по верхам. Но лазер может использоваться не только как полезный инструмент, но и как средство для кибершпионажа.

Несколько таких примеров, включая недавний, — под катом. Если вы слышали о других случаях, давайте их обсудим в комментариях, ведь фантазия человека поистине неисчерпаема, особенно в плане мошенничества.

Воровство данных непосредственно из чипов

Несколько дней назад в сети были опубликованы результаты докладов участников конференции Black Hat. Один из них, Оливье Эриво (Olivier Heriveaux), смог воспользоваться «атакой по таймингу» (timing attack) для извлечения информации из чипа. Эриво показал, что большинство микросхем восприимчивы к такой атаке, и если у злоумышленника есть таблица таймингов, то такой человек может восстановить информацию, которая проходит через чип.

Как это работает

При воздействии лазерного луча в работе чипа возникают хотя и небольшие, но сбои. Для того, чтобы усилить эффект демонстрации, Эриво решил взломать аппаратный кошелек Coldcard, который популярен в среде криптобизнесменов. Кошелек позволяет хранить целый спектр разных криптовалют, предоставляя вроде как незыблемую защиту данных владельца.

Для начала работы, как оказалось, с чипа нужно снять пластиковый корпус, чтобы иметь доступ к внутренним ресурсам. После этого чип начинает реагировать на лазер, наведенный на определенную область. Все эти знания пришли к Эриво не вдруг, специалист потратил на эксперименты несколько дней, прежде чем ему удалось доказать свою точку зрения.

При помощи лазера Эриво собрал около 100 тысяч разных точек данных, а затем создал «карту» микросхемы, отобразив локации, воздействие на которые наиболее эффективно. Кроме того, он зафиксировал и интервалы между работой лазерного луча. Это было необходимо для того, чтобы извлечь файл, находящийся внутри чипа, вместе с его ключом.

Эриво использовал в работе и осциллограф, а также загрузил в тот же чип открытый файл, получив два графика потребления чипом энергии. Сравнив графики, специалист определил «тайминг успеха», то есть моменты, когда чип реагировал нужным образом на воздействие лазером. Чуть позже последовал второй этап — участнику конференции удалось выявить точки на чипе, при воздействии на которые график при обработке закрытого файла выглядел так же, как и при обработке открытого файла. Для этого, как оказалось, нужно всего две точки, так что ларчик открывался гораздо проще, чем казалось изначально.

Что взламывал Эриво

В качестве цели он выбрал чип ATECC508A производства компании Microchip. Это вроде как хорошо защищенная микросхема, которая предназначена для работы с 256-битными ключами и может хранить до 16 ключей.

Эта микросхема вместе с «родственницей», ATECC608A, используется в ряде моделей криптокошельков и сейчас. Так что при желании и наличии кучи свободного времени криптокошелек можно и взломать.

Интересно, сможет ли Эриво помочь тысячам бедолаг, которые забыли пароли к своим аппаратным криптокошелькам.

Что же касается возможного распространения такого метода, то вряд ли нам с вами стоит пока беспокоиться. Во-первых, это технически очень сложно реализуемая атака. Во-вторых, для нее нужно оборудование стоимостью не менее $200,000, так что вряд ли обычный человек станет жертвой киберпреступникам с такой убер-машиной. Ну а вот в корпоративном мире, включая криптофинансы, возможно все.

А что с пылесосом?

Ученые из Сингапура смогли применить обычный робот-пылесос с лидаром для прослушки. Лидар в этом случае становится лазерным микрофоном, превосходно считывающим звуки от вибраций ближайших объектов. Речь идет именно об акустических вибрациях, когда звуковая волна тем либо иным образом влияет на свойства твердых сред.

Лазерные микрофоны — далеко не новость, так почему бы и не задействовать для прослушивания робот-пылесос? Берем и задействуем, анализируя затем записанный системой вибрационный сигнал для восстановления следов разных звуков.

Достоинством робота-пылесоса в качестве инструмента киберпреступника является то, что у него есть датчик отражений, что и нужно для считывания. Правда, считать сигнал с такой поверхности, как стекло, робот не в состоянии. А вот со стены — без особых проблем.

Есть, конечно, технические сложности. Так, для нормального расшифровывания сигнала систему на основе робота нужно обучить. Для этого ученые использовали дата-сет из более чем 30 тыс аудиозаписей — в основном это запись звука из динамика телевизора. Базой для всей системы послужил Xiaomi Roborock. Ну а точность в итоге оказалась около 90% для разных типов записей.

Так что если нужно подслушать что-то важное — дарим в офис или дом жертве специальным образом модифицированного робота от Xiaomi и наслаждаемся процессом компрометации.

На десерт — взлом умной колонки

Здесь уже не нужны какие-то дорогостоящие вещи. Требуется лишь лазерная указка стоимостью в $18, софт и, вероятно, ноутбук. Пару лет назад специалисты Мичиганского университета опубликовали работу, в которой подробно рассказали об этом методе.

Здесь, правда, речь не о подслушивании, а, скорее, наговаривании в микрофон устройства различных команд, которые не будет слышать владелец. Луч лазера направляется на диафрагму микрофона и заставляет ее легонько вибрировать, создавая электрические сигналы. Ну а последние уже воспринимаются колонкой как голосовая команда и, соответственно, воспроизводятся.

Исследователю понадобился для работы ПК, та самая лазерная указка и система для управления лучом за $340. После ряда тестов исследователю удалось заставить колонку открыть ворота гаража и выполнить еще несколько команд. При этом сам исследователь находился примерно в 100 м от колонки, направляя луч на вывод микрофона через окно офисного здания.

В целом, исследователи протестировали около 17 разных устройств, способных распознавать голосовые команды, и во всех случаях удалось добиться успеха — правда, на разных расстояниях. Некоторые гаджеты, вроде Google Home или Amazon Echo, распознавали команды на большом расстоянии — от 50 метров. Другие, вроде смартфонов или планшетов, оказались не такими чувствительными и выполняли команды на дистанции от 5 до 20 метров.

Что такое лазерный луч? (с картинками)

Джейкоб Куин

Дата последнего изменения: 13 октября 2022 г.

Лазерный луч представляет собой поток сфокусированного когерентного света с одной длиной волны. Хотя слово «лазер» обычно принято в обычном языке, первоначально оно было аббревиатурой от «усиление света за счет вынужденного излучения». Существует множество различных типов лазеров, которые используются в самых разных технологических областях, включая сварку и хирургию. Лазеры также играют роль в научной фантастике, где они обычно изображаются как мощное оружие.

Когда атом подвергается воздействию энергии, орбиты электронов внутри атома могут измениться. При этом высвобождаются частицы света, называемые фотонами. В обычном луче света фотоны испускаются случайным образом; в лазерном луче фотоны сконцентрированы и более организованы. Обычно это достигается с помощью процесса, называемого вынужденным излучением, когда фотоны, испускаемые одним атомом, стимулируют другие атомы генерировать фотоны с той же длиной волны. Большинство лазерных устройств также содержат зеркала, которые позволяют световому лучу многократно отражаться, тем самым медленно создавая большую цепную реакцию, пока не будет создан лазерный луч.

Первый зарегистрированный лазер был разработан в 1960 году Теодором Мейманом, который использовал комбинацию мощного света и рубинового стержня, покрытого серебром. Его открытие изначально было проигнорировано, потому что оно казалось слишком похожим на более ранние эксперименты с использованием сфокусированного света. Ученым потребовалось некоторое время, чтобы осознать значение открытия Меймана, и еще больше времени потребовалось, чтобы найти применение этой технологии.

Гордон Гулд также претендует на звание изобретателя лазера, и существует некоторый спор о том, какой человек заслуживает наибольшего признания. Гулд утверждает, что он разработал действующий лазер в конце 19 века.50-х годов, но ему потребовалось слишком много времени, чтобы подать заявку на патент. Независимо от того, можно ли отдать должное Гулду за разработку первого реального лазерного луча, он общепризнан как первый человек, использовавший термин «лазер».

В первые дни лазерные лучи в основном использовались как замена другим технологиям концентрированного света, которые были доступны в то время. Ученые быстро разработали некоторые идеи для лазерных приложений, но потребовалось некоторое время, чтобы сгладить некоторые технические трудности. Со временем лазеры нашли свое применение во многих устройствах, с которыми средний человек может сталкиваться ежедневно. Некоторые распространенные области применения лазерной технологии включают считыватели штрих-кодов, приводы DVD-дисков и системы безопасности. Лазерный луч также оказал влияние на мир медицины, позволив врачам выполнять деликатные операции, которые были бы невозможны без точного контроля и точности, которые обеспечивают лазеры.

Лазерные лучи, объяснение RP Photonics Encyclopedia; Гауссова, когерентность, качество луча, расходимость, поляризация

«> Главная	Викторина	Руководство покупателя
Поиск	Категории	Глоссарий	Реклама

Прожектор фотоники

«> Учебники

Показать статьи A-Z

Примечание: поле поиска по ключевому слову статьи и некоторые другие функции сайта требуют Javascript, который, однако, отключен в вашем браузере.

В большинстве случаев лазер излучает свет в виде хорошо направленного светового луча, который называется лазерным лучом. Это означает, что свет преимущественно распространяется в определенном направлении, обычно большая часть оптической мощности сосредоточена на небольшой площади порядка квадратного миллиметра.

Лазерные лучи часто близки к гауссовым пучкам, где поперечный профиль оптической интенсивности может быть описан функцией Гаусса, ширина которой меняется вдоль направления распространения.

Фигура 1: Снимок распределения электрического поля вокруг фокуса гауссова пучка. В этом примере радиус луча лишь немного больше длины волны, а расходимость луча сильная.

Как правило, лазерные лучи обладают высокой степенью пространственной когерентности, что связано с высоким качеством луча. В результате достигается хорошая фокусируемость и возможность формирования коллимированных пучков с очень малой расходимостью луча.

Когда лазерный луч попадает на какой-либо объект (например, на заготовку при лазерной обработке материала), приходящая оптическая интенсивность также называется освещенностью.

Распространение гауссовых лучей можно рассчитать с помощью набора относительно простых уравнений. В случаях с неидеальным качеством луча можно использовать обобщенную систему уравнений, в которую также входит так называемый коэффициент качества луча M ² . В этом случае уравнения не могут предсказать детальную эволюцию профиля луча, а только радиус луча на основе второго момента профиля интенсивности (метод D4σ).

Лазерный свет часто имеет небольшую оптическую полосу пропускания, поэтому временная когерентность также высока. Часто нежелательным последствием высокого уровня когерентности является склонность к формированию лазерных спекл-структур.

Оптическая мощность лазерного луча может практически не изменяться при распространении в прозрачной среде или быстро затухать в поглощающей или рассеивающей среде. Неоднородные среды (т. е. среды с локально изменяющимся показателем преломления) также могут искажать форму лазерных лучей. Это может произойти, например, из-за тепловые эффекты, такие как тепловое линзирование в усиливающей среде.

Некоторые лазеры излучают непрерывно, но лазерный луч также может состоять из быстрой последовательности импульсов со многими миллионами или даже миллиардами импульсов в секунду (→ частота повторения импульсов ). Тогда распределение света можно описать как регулярную последовательность своего рода «световых пуль».

Лазерный свет часто имеет линейную поляризацию, т. е. электрическое поле колеблется в определенном направлении, перпендикулярном направлению распространения. Однако некоторые лазеры излучают свет с неопределенным флуктуирующим состоянием поляризации.

Виден ли лазерный луч сбоку?

Лазерный луч видимого света достаточно высокой мощности может быть виден при распространении в воздухе. Это связано с тем, что крошечная часть оптической мощности рассеивается частицами пыли и/или колебаниями плотности в воздухе и поэтому может достигать наблюдающего глаза. Когда лазерный луч попадает на какой-нибудь диффузно рассеивающий объект, например на белый экран, на этом экране видно гораздо более яркое пятно, так как в этой точке рассеивается большая часть оптической мощности.

Ближнее и дальнее поле лазерных лучей

Под ближним полем понимается область вокруг перетяжки (фокуса) луча. Дальнее поле относится к профилю вдали от перетяжки, т. е. на расстоянии от фокуса, которое велико по сравнению с эффективной длиной Рэлея. Профиль интенсивности в дальнем поле показывает детали расходимости пучка, которые в ближнем поле можно получить только с помощью измерений волнового фронта. Поскольку часто нецелесообразно получать прямой доступ к дальнему полю, можно использовать фокусирующую линзу (или зеркало) для получения профиля интенсивности в его фокальной плоскости, который показывает уменьшенную версию картины дальнего поля.

Ограничения для фокусировки лазерных лучей

Лазерные лучи могут использоваться для передачи оптической энергии в относительно небольшие точки или с малой расходимостью на большие расстояния. Однако для этого существуют ограничения, которые включают оптическую длину волны, качество луча и поперечный размер используемой фокусирующей или коллимационной оптики. Некоторые из этих ограничений обсуждаются ниже, всегда предполагая распространение луча через однородную среду (т. е. без дополнительных искажений луча на пути).

Если лазерный луч сфокусирован в точку (перетяжка луча) с радиусом луча w ₀ , он имеет определенный угол расхождения луча, который обратно пропорционален радиусу перетяжки луча и пропорционален длине волны оптического излучения в M ² коэффициент:

Используемая фокусирующая оптика должна выдерживать такое расхождение; ограничение для этого следует из ограниченной числовой апертуры оптики. Кроме того, если фокус должен находиться на большом расстоянии от фокусирующей оптики и/или радиус перетяжки мал или качество луча низкое, радиус луча в фокусирующей оптике обязательно будет достаточно большим. Соответственно требуется большая открытая апертура оптики. Такие факторы на практике могут установить нижний предел достижимого радиуса в очаге или верхний предел допустимого М ² фактор.

В некоторых случаях оптимизируют радиус луча в фокусе так, чтобы радиус на определенном расстоянии от фокуса был как можно меньше. Для этого необходимо выбрать радиус перетяжного луча таким образом, чтобы эффективная длина Рэлея равнялась указанному расстоянию передачи. Результирующий радиус в дальнем положении будет в ≈1,41 раза больше радиуса поясного луча.

Если излучаемый свет не должен фокусироваться на фокусирующей оптике, то следует поместить фокус посередине между оптикой и удаленной точкой. В идеале эффективная длина Рэлея будет равна половине расстояния передачи. Радиус луча в дальнем пятне будет таким же, как у фокусирующей оптики, и в ≈1,41 раза больше, чем в фокусе луча.

Например, если на Луну (расстояние 380 000 км) нужно направить гауссовский лазерный луч с длиной волны 1064 нм, чтобы осветить там небольшое пятно, идеальный радиус в фокусе будет равен 8 м, так что длина Рэлея составляет 190 000 км. Радиус в фокусирующей оптике и на Луне тогда составит 11,3 м. Если используемый передающий телескоп не может быть таким большим, освещенное пятно на Луне будет больше.

При создании фокуса луча на некотором расстоянии от какой-либо фокусирующей оптики с ограниченной открытой апертурой возможный радиус перетяжки будет увеличиваться при увеличении этого расстояния. Кроме того, существует максимум этого расстояния; в крайнем случае расстояние равно эффективной длине Рэлея луча, и результирующий радиус перетяжки луча будет меньше радиуса луча в фокусирующей оптике на квадратный корень из 2 (≈1,41). Таким образом, можно легко рассчитать длину Рэлея на основе начального радиуса и, следовательно, максимального расстояния фокусировки.

Экспериментальная характеристика лазерных лучей

Существуют различные устройства и методы для определения характеристик лазерного луча в различных отношениях; см. статью о характеристике лазерного луча.

Для многих лазерных применений важно иметь надлежащие средства диагностики луча, так как с помощью таких инструментов можно выявить множество возможных проблем.

Переключение лазерных лучей

Если лазерный луч в определенное время является нежелательным, например, из соображений безопасности, в принципе можно просто выключить лазер. Однако это не всегда практично. В некоторых случаях применяют какую-либо лучевую заслонку, с помощью которой при необходимости можно блокировать луч. Переключение также может быть автоматизировано, т.е. для автоматической блокировки луча при открытии корпуса лазера. Для периодического переключения есть оптические прерыватели.

Вопросы и комментарии от пользователей

Здесь вы можете задать вопросы и комментарии. Если они будут приняты автором, они появятся над этим абзацем вместе с ответом автора. Автор принимает решение о принятии на основе определенных критериев. По существу, вопрос должен представлять достаточно широкий интерес.

Пожалуйста, не вводите здесь личные данные; в противном случае мы бы удалили его в ближайшее время. (См. также нашу декларацию о конфиденциальности.) Если вы хотите получить личную обратную связь или консультацию от автора, свяжитесь с ним, например. по электронной почте.

Ваш вопрос или комментарий:

Проверка на спам:

(Пожалуйста, введите сумму тринадцати и трех в виде цифр!)

Отправляя информацию, вы даете свое согласие на возможную публикацию ваших материалов на нашем веб-сайте в соответствии с нашими правилами. (Если вы позже отзовете свое согласие, мы удалим эти материалы.) Поскольку ваши материалы сначала просматриваются автором, они могут быть опубликованы с некоторой задержкой.

Библиография

[1]	Х. Когельник и Т. Ли, «Лазерные лучи и резонаторы», Appl. Опц. 5 (10), 1550 (1966), doi:10.1364/AO.5.001550
[2]	А. Э. Зигман, «Определение, измерение и оптимизация качества лазерного луча», Proc. SPIE 1868, 2 (1993), doi:10.1117/12.150601
[3]	AE Siegman, Lasers , University Science Books, Mill Valley, CA (1986)

1 дополнительная литература!

См. также: характеристика лазерного луча, лазерный свет, коллимированные лучи, когерентность, качество луча, гауссовы лучи, расходимость луча, флуктуации направления луча, поляризация света, лазерный спекл, профилировщики луча, измерители оптической мощности, The Photonics Spotlight 2010-04- 08
и другие статьи в рубриках Общая оптика, лазерные приборы и лазерная физика

Если вы хотите разместить ссылку на эту статью на каком-либо другом ресурсе (например, на своем сайте, в социальных сетях, на форуме, в Википедии), вы можете получить необходимый код здесь.

HTML-ссылка на эту статью:

  
 Статья о лазерных лучах 
 в  
 RP Photonics Encyclopedia

С предварительным изображением (см. рамку чуть выше):

  
  alt="article">

Для Википедии, например. в разделе «==Внешние ссылки==»:

 * [https://www.rp-photonics.com/laser_beams.html 
 статья "Лазерные лучи" в Энциклопедии RP Photonics]

Обзор формирования лазерного луча

| Эдмунд Оптикс

Это Разделы 5.1, 5.2, 5.3, 5.4, 5.5, и 5.6 Справочника по лазерной оптике.

Предыдущий раздел Следующий раздел

Форма лазерного луча обычно определяется его распределением излучения и фазой. Последнее имеет важное значение для определения однородности профиля пучка по расстоянию его распространения. Поэтому формирователи луча предназначены для перераспределения энергетической освещенности и фазы оптического луча для достижения желаемого профиля луча, который поддерживается на желаемом расстоянии распространения. Распространенные распределения освещенности включают гауссово распределение, при котором облученность уменьшается с увеличением радиального расстояния, и лучи с плоской вершиной, также известные как цилиндрические лучи, в которых облученность постоянна на заданной площади (9).0078 Рисунок 1 ). Подробное описание распространения гауссова луча можно найти в наших указаниях по применению гауссового луча, а информацию о количественной оценке качества распределения излучения лазера можно найти в наших указаниях по применению режимов лазерного резонатора.

Рис. 1: Для профиля пучка Гаусса (слева) освещенность уменьшается с увеличением расстояния от центра в соответствии с уравнением Гаусса.

Для плоского верхнего луча (справа) освещенность постоянна на заданной площади.

В некоторых приложениях лучше использовать профили луча, отличные от профилей лазерного источника, которые обычно являются гауссовыми. Например, профили с плоской вершиной выгодны в таких приложениях, как определенные системы обработки материалов, поскольку они часто обеспечивают более точные и предсказуемые разрезы и края, чем гауссовые лучи ( рис. 2 ). Однако введение оптики, формирующей луч, увеличивает сложность и стоимость системы.

Рисунок 2. Пучки с гауссовым профилем менее эффективны, чем пучки с плоской вершиной, в приложениях лазерной абляции из-за большой площади луча с избыточной энергией выше требуемого порога абляции и энергией ниже порога во внешнем области гауссова профиля.

Формирование луча изменяет свойства света на их самом фундаментальном уровне, и его эффективность определяется принципом неопределенности Гейзенберга в зависимости от временной полосы: \geq \frac{1}{4 \pi } $$

(1)

$$ \Delta _x \Delta _{\nu} \geq \frac{1}{4 \pi } $$

x представляет положение, а v представляет импульс. Принцип неопределенности накладывает некоторые ограничения на конструкцию формирователей луча. Например, для дизайна с очень четко определенным положением пространственные частоты становятся менее определенными. Применяя принцип неопределенности к теории дифракции, т.е. соотношение преобразования Фурье в интеграле Френеля, получаем характеристический параметр $\beta$:

(2) $$ \beta = C \frac{r_i r_o}{\lambda z} $$

(2)

$$ \beta = C \frac{r_i r_o}{\lambda z} $$

где $ \small{r_o} $ – полуширина входного луча, $ \small{r_i} $ – полуширина выходного луча, $ \small{C} $ – константа, $ \ small{\lambda} $ – длина волны, а $ \small{z} $ – расстояние до выходной плоскости. Значение $ \small{\beta}$ очень важно при разработке или рассмотрении приложения для формирования луча, поскольку большие значения соответствуют лучшим характеристикам формирования луча. Например, при $ \small{\beta} < 4 $ формирователь луча не будет давать приемлемых результатов практически для любого лазерного применения, в то время как $ \small{ 4 < \beta <16} $ обеспечит низкую производительность. Следовательно, для оптимальной работы следует использовать экспериментальные условия, которые приводят к $ \ small{\ beta} > 16 $. Эта формула подразумевает, что будет проще спроектировать формирователи луча для больших лучей, более коротких длин волн и более коротких фокусных расстояний.

Формирование преломляющего луча

В системах с низкими характеристиками, где решающим фактором является стоимость, гауссовы лучи могут быть физически обрезаны апертурой для формирования псевдоплоского верхнего профиля. Это неэффективно и тратит энергию во внешних областях гауссового профиля, но сводит к минимуму сложность и стоимость системы.

В приложениях с более высокими характеристиками, требующих большей эффективности, часто используются преломляющие и дифракционные формирователи лазерного луча. В этих сборках обычно используются фазовые элементы с отображением поля, такие как асферические линзы или линзы произвольной формы и дифракционные элементы, для перераспределения освещенности и фазового профиля лазерного излучения. На рис. 3 показан пример компоновки картографа поля преломления, который преобразует профиль гауссового луча в профиль с плоской вершиной за счет искажения волнового фронта и условия сохранения энергии. ² Амплитуда и фаза падающего луча изменяются после прохождения через оба элемента в линзе Галилея или Кеплера. Полученное в результате формирование луча является высокоэффективным (> 96% пропускной способности) и не зависит от длины волны в пределах диапазона конструкции. Формирователи преломляющего луча обеспечивают равномерное распределение освещенности и плоские фазовые фронты.

Рис. 3: Пример формирования преломляющего луча с использованием карты поля ²

профиль балки. Когда требуется сфокусированное пятно с плоской вершиной, вместо этого используются преобразователи поля для преобразования гауссовых лучей в коллимированные профили диска Эйри, которые образуют пятна с плоской вершиной после фокусировки бездифракционной линзой ( рис. 4 ).

Рисунок 4: Изображение того, как некоторые формирователи луча, такие как формирователь луча с плоской вершиной AdlOptica Focal-πShaper Q, преобразуют профили падающего гауссова луча в профили воздушного диска, так что они приводят к профилям луча с плоской вершиной после передачи через фокусировку оптика.

Формирование дифракционного луча

Формирователи дифракционного луча используют дифракцию, а не преломление, для придания лазерному лучу определенного распределения освещенности. Дифракционные элементы используют процесс травления для создания определенной микро- или наноструктуры в подложке. Как правило, проектные длины волн и функция элемента зависят от высоты и расстояния между зонами соответственно. Следовательно, использование дифракционного оптического элемента на расчетной длине волны имеет важное значение, чтобы избежать ошибок в работе. По сравнению с рефракционными формирователями луча дифракционные элементы также больше зависят от выравнивания, расходимости и положения луча в плоскости номинального рабочего расстояния. С другой стороны, дифракционные оптические элементы очень выгодны в лазерных установках с ограниченным пространством, поскольку они обычно состоят из одного элемента, а не из нескольких преломляющих линз.

Интеграторы лазерного луча

Интегратор лазерного луча, или гомогенизатор, состоит из нескольких линз, которые делят луч на массив меньших лучей или пучков, за которыми следует линза или другой фокусирующий элемент, который накладывает лучи на плоскость мишени. . Они могут использоваться как с когерентным лазерным излучением, так и с другими некогерентными источниками света. Как правило, окончательный профиль выходного луча представляет собой сумму картин дифракции, определяемых массивом линз. Большинство интеграторов лазерного луча используются для создания гомогенизированного профиля с плоской вершиной из падающих гауссовых лучей. Гомогенизаторы луча обычно страдают от случайных флуктуаций освещенности, что приводит к не идеально плоскому профилю луча. Интеграторы пучков, не основанные на дифракции, такие как интеграторы изображений или волноводы, также подходят для пространственно некогерентного падающего света. Выбор между интеграторами дифракционного или отображающего пучка зависит от числа Френеля. Как правило, при числах Френеля <10 потребуется интегратор изображений для получения очень однородного профиля с плоской вершиной. ³

	Рефракционная	Дифракционный	Интеграторы балок
Принцип формирования	Детерминированный	Детерминированный	Случайный или квазислучайный
Случайные колебания	Низкий	Низкий	Высокий
Чувствительность выравнивания	Низкий	Низкий	Высокий
Однородность выходного луча	Высокий	Средний-высокий	Низкий
Стоимость	Высокий	Средний	Низкий
Отпечаток	Большой	Маленький	Маленький

Таблица 1: В этой таблице сравниваются различные технологии формирования лазерного луча.

Axicons для генерации пучков Бесселя

До сих пор мы обсуждали формирование света с помощью картирования поля или интеграции пучков, где дифракционные эффекты играют главную роль в конструкции и характеристиках оптики. Дифракция — это отклонение света от прямого распространения, не вызванное отражением или преломлением. Эти эффекты дифракции заставляют лазерные лучи расходиться по мере их распространения. С другой стороны, пучок, профиль которого описывается функцией Бесселя, определяемой как точное и инвариантное решение уравнения Гельмгольца, не испытывает дифракции; то есть он не распространяется по мере распространения. ⁴ Эти лучи также являются самовосстанавливающимися, что означает, что они могут восстановиться в любой момент после препятствия. Однако идеальные пучки Бесселя невозможно создать, потому что они требуют бесконечного количества энергии. Вместо этого приближенные лучи Бесселя, известные как квазибесселевые лучи, могут генерироваться интерференцией плоских волн, образованных конической поверхностью, такой как аксикон.

Аксиконы формируют квазибесселев пучок с почти нулевой дифракцией в заданной области, известной как их глубина резкости (DOF). После этой области пучок продолжает распространяться по кольцу (Рисунок 5 ). Традиционными рефракционными аксиконами считаются либо конические линзы, либо призмы. Свет проходит через них, а затем преломляется на конической поверхности. Отражающие аксиконы с отражающей конической поверхностью также используются в определенных ситуациях, например, в сверхбыстрых лазерных системах. Широкая полоса длин волн, присущая сверхбыстрым лазерам, будет испытывать значительную хроматическую дисперсию при передаче через преломляющий аксикон, в то время как в отражающих аксиконах эта дисперсия отсутствует (9).0078 Рисунок 6 ). Квазибесселевские пучки также могут быть получены с использованием голографических методов с высокой эффективностью дифракции, но имеют осевой профиль, модулированный дифракцией.

Рис. 5: Схема традиционного рефракционного аксикона, показывающая область луча Бесселя в ГРИП и кольцеобразный пучок, который распространяется после области перекрытия.

Рис. 6: Схема отражающего аксикона, который, как и традиционный аксикон, создает область луча Бесселя в ГРИП и кольцеобразный пучок после области перекрытия, но, в отличие от традиционных аксиконов, не зависит от длины волны.

Лучи Бесселя почти не претерпевают дифракции на расстоянии распространения и обеспечивают превосходную глубину резкости, что делает их идеальными для таких приложений, как лазерная обработка материалов и хирургия роговицы. Благодаря одинаковому диаметру луча в DOF могут быть получены чистые срезы с острыми кромками.

Круговые лучи с цилиндрическими линзами

Другой тип формирования лазерного луча — круговой, который включает преобразование овального профиля или профиля другой формы в круглый. Лазерные диоды без коллимирующей оптики будут иметь разные углы расходимости по осям x и y из-за прямоугольной формы активной области диода, что приводит к продолговатой форме луча (9).0078 Рисунок 7 ). Круглые профили часто желательны для формирования симметричных, компактных пятен окончательной фокусировки.

Рис. 7: Геометрия лазерных диодов заставляет их создавать эллиптические лучи с двумя разными углами расхождения измерение. Цилиндрические линзы не влияют на свет в перпендикулярном измерении. Этого нельзя достичь, используя стандартные сферические линзы, потому что свет будет равномерно фокусироваться или рассеиваться вращательно-симметричным образом. Это свойство цилиндрических линз делает их полезными для формирования лазерных световых листов и округления эллиптических лучей.

Система отсчета цилиндрических линз определяется двумя ортогональными измерениями: направлением увеличения и направлением без увеличения. «Направление оптической силы» проходит по изогнутой длине линзы и является единственной осью линзы с оптической силой ( рис. 8 ). «Неоптимальное направление» цилиндрической линзы проходит по всей длине линзы без какой-либо оптической силы. Длина цилиндрической линзы вдоль направления без оптической силы может изменяться, не влияя на оптическую силу линзы. Цилиндрические линзы могут иметь различные форм-факторы, включая прямоугольную, квадратную, круглую и эллиптическую формы.

Рис. 8: Направление оптической силы и без оптической силы в прямоугольных и круглых цилиндрических линзах

Поскольку лазерные диоды расходятся асимметрично, сферическую оптику нельзя использовать для получения кругового коллимированного луча от диода. Линза воздействует на обе оси одновременно, что сохраняет исходную асимметрию луча. Каждую ось можно рассматривать отдельно, используя ортогональную пару цилиндрических линз.

Соотношение фокусных расстояний обеих линз должно совпадать с отношением расхождений пучка по осям x и y для достижения симметричного выходного луча. Подобно стандартной коллимации, лазерный диод размещается в общей точке фокуса обеих линз, а расстояние между линзами поддерживается равным разнице их фокусных расстояний ( Рисунок 9 ).

Рис. 9: Пример округления эллиптического луча с помощью цилиндрических линз.

Небольшая выходная апертура лазерных диодов может привести к очень большим углам расходимости, что может вызвать трудности при попытке коллимировать луч. Дивергенция напрямую влияет как на допустимую длину системы, так и на требуемые размеры линз. Взаимосвязь между расходимостью и размером луча описана в наших примечаниях по применению гауссового луча. Поскольку относительные положения каждой цилиндрической линзы достаточно фиксированы в зависимости от их фокусного расстояния, можно рассчитать максимальную ширину луча $ \left( \small{d} \right) $ на каждой линзе, используя фокусное расстояние линзы $ \left( \small{f} \right) $ и угол расхождения $ \left( \small{\theta} \right) $ оси, на которую коллимирует линза. Чистая апертура каждой линзы должна быть больше, чем соответствующая максимальная ширина луча, чтобы избежать ограничения луча.

(3) $$ d = 2 f \times \tan{\left( \frac{\theta}{2} \right)} $$

(3)

$$ d = 2 f \times \tan{\left( \frac{\theta}{2} \right)} $$

Для получения дополнительной информации см. рекомендации по применению цилиндрических линз.

Круговые лучи с парами анаморфотных призм

Пара анаморфотных призм — это другие типы оптики, используемые для круговых эллиптических лучей. Анаморфные пары призм состоят из двух призм, используемых вместе для изменения формы лазерного луча. Обычно они используются для преобразования эллиптических профилей луча в круговые распределения, но они также могут создавать другие эллиптические профили луча различных размеров. Оптический принцип изменения формы такой же, как у цилиндрических линз: преломление. Свет отклоняется в одном направлении или по одной оси, в то время как другая ось остается постоянной ( Рисунок 10 ). Это компенсирует разные углы расходимости луча.

Рис. 10: Анаморфотная пара призм, действующая как расширитель луча в одном направлении, которая может округлить эллиптический луч.

Одинокая призма может изменить радиус луча по одной оси, но это также изменит направление луча. Две призмы необходимы для сохранения исходного направления распространения луча при изменении его эллиптичности. Анаморфные пары призм сохраняют параллельность исходному направлению, но смещают луч в перпендикулярном направлении. Использование пар анаморфотных призм также требует точного углового выравнивания для правильной работы. Это не обязательно, но полезно, чтобы одна призма была ориентирована под углом Брюстера или углом падения, при котором p-поляризованный свет не отражается. Другая поверхность призмы будет находиться под прямым углом к лучу и должна быть покрыта просветляющим (AR) покрытием, чтобы максимизировать пропускную способность. Требуемая точная настройка приводит к тому, что многие интеграторы оптических систем покупают их в виде предварительно настроенной пары.

Высококачественные лазерные диоды часто имеют пары анаморфотных призм, встроенных в их лазерную головку для округления лучей. Однако многие более дешевые диоды этого не делают. Стоимость покупки отдельной пары анаморфотных призм и менее дорогого диода без встроенной пары анаморфотных призм может быть меньше, чем у более дорогого диода.

Цилиндрические линзы имеют больше степеней свободы, чем пары установленных анаморфотных призм, что затрудняет их юстировку. Цилиндрические линзы могут наклоняться, что делает анаморфотные призмы более щадящими при попытках независимого выравнивания осей. Особое внимание следует также уделить фокусному расстоянию цилиндрических линз, чтобы они располагались на правильном расстоянии от лазерного диода для получения коллимированного круглого выходного луча. Установленные пары анаморфотных призм более удобны для пользователя. Они предварительно настроены на фиксированную степень расширения, что избавляет от необходимости устанавливать и собирать их самостоятельно, как это было бы с цилиндрическими линзами. Призмы имеют только одну ось, которая должна быть независимо выровнена, поскольку пользователь просто перемещает призму на пути луча. Это устраняет этап выравнивания, экономя время пользователя и избавляя его от возможного разочарования. Физическое расположение анаморфотных призм относительно положения падающего лазерного луча также менее чувствительно.

Однако дополнительные степени свободы, предлагаемые цилиндрическими линзами, обеспечивают большую гибкость, что может быть полезно при проведении исследований и создании прототипов. Цилиндрические линзы также могут обеспечить более высокую пропускную способность, чем пары анаморфотных призм, особенно когда линзы имеют просветляющее покрытие. Свету не нужно проходить через столько материала в цилиндрических линзах, сколько в парах анаморфотных призм, и p-поляризованный свет будет потерян, если анаморфотные призмы используются под углом Брюстера. Для получения дополнительной информации ознакомьтесь с нашими указаниями по применению пар анаморфных призм.

	Цилиндрические линзы	Пара анаморфотных призм
Смещение балки	Не смещен	Перемещенный
Степени свободы	Высокий	Низкий
Чувствительность выравнивания	Высокий	Низкий
Пропускная способность	Высокий	Средний
Стоимость	Низкий	Низкий
След	Маленький	Маленький

Таблица 2: Сравнение пар цилиндрических линз и анаморфотных призм для циркуляризации луча.