Лазерные фары принцип работы: Лазерные фары: что это и как это работает?

Содержание

Лазерные фары: что это и как это работает?

Еще недавно слово "ксенон" вызывало восхищение и уважение окружающих, а биксенон и подавно. Казалось бы, все уже придумано и развиваться автомобильной оптике больше некуда, однако создатели лазерных фар так не считают...

Светодиодные фары как, впрочем, и любые другие революционные для своего времени фары, до появления лазерных фар считались наиболее эффективным источником освещения, который по сей день активно используют автопроизводители в своих автомобилях. Кстати серийный выпуск светодиодных фар могут сегодня позволить себе далеко не все автогиганты, как правило, такими фарами оснащаются автомобили премиум-сегмента.

С лазерными фарами все еще более сложно и запутано, эти фары являются достижением высоких технологий, а для их создания необходимы особые условия и множество различной электроники, которая собственно и создает лазерный луч. В данной области активно работают ведущие производители автомобильной светооптики такие как: Osram, Philips, Valeo, Bosch и Hella.

Кроме ведущих производителей источников освещения лазерными фарами очень заинтересованы автопроизводители. Так в 2011 году лазерные фары были представлены компанией BMW, которая продемонстрировала собственные достижения в этой области на своем концепте под кодовым названием i8. Тот, кто следит за событиями в BMW помнит, как через несколько лет концепт превратился в полноценный серийный суперкар.

Лазерные фары BMW i8 видео

 

Спустя еще несколько лет такие фары стали появляться на других моделях "БМВ". Лазерный модуль BMW был разработан инженерами компании Osram. Несмотря на дороговизну самой технологии, а также стоимость комплектующих и разработок, лазерные фары получили одобрение руководства, которое даже не смутил тот факт, что наличие лазерных фар существенно скажется на итоговой стоимости всего автомобиля. Более важным для разработчиков и руководителей проектов было первенство в данной области, а также то преимущество которое получит покупатель после покупки их детища.

Второй автогигант Audi — не менее активно работает в "лазерном направлении". Впервые лазерные фары получили Audi R18 E-Tron Quattro, а также концепт Audi Sport Quattro Laserlight. Характерным отличием лазерных фар производства "Ауди" является то, что активация лазерных модулей происходит на скорости 60 км/час и выше. До этой отметки дорогу освещают "обычные" светодиодные фары.

Лазерная фара производства Audi состоит из четырех мощных лазерных диодов, их диаметр тела свечения равен – 300 микромет­рам. Эти диоды способны генерировать световой луч синего цвета с длиной волны порядка 450 нм. Благодаря специальному флуоресцентному преобразователю синее свечение превращается в белое (цветовая температура 5500 К). Такой свет по мнению производителей наиболее приятен для глаз и практически не вызывает усталости. Длина самого светового луча составляет порядка 500 метров.

В отличие от привычных нам источников света (лампы накаливания, газоразрядные лампы, светодиоды) лазерные фары обладают множеством "плюсов". Все начинается с того, что лазерное излучение монохромно и когерентно, другими словами волны постоянно одинаковой длины при постоянной разности фаз.

Перечислим плюсы лазерных фар

  • Это позволяет формировать пучок света, который очень близок по своей сути к параллельному, (дает возможность освещать конкретную зону).

  • Лазерный луч в десять сильнее по сравнению с галогенками, а также ксеноном и светодиодами. Протяженность лазерного луча достигает отметки в 600 метров, при том, что обычный дальний свет может похвастаться только 200-300 мет­рами (а ближний и того хуже всего 60–85 метров).
  • Лазерные фары не слепит так как ксенон, поскольку луч света направлен строго в ту точку, которая должна освежаться. В случае попадания в область освещения живого существа, например, человека часть диодов тут же отключится и подсветит все кроме той области в которой находится живой объект.
  • Фары лазерные имеют на 30% меньшее энергопотребление нежели классические аналоги.
  • Компактность еще один "плюс" в пользу лазерных фар, их по праву можно смело назвать самыми компактными из всех сущест­вующих. Площадь светоизлучения лазерного диода в сто раз меньше по сравнению с обычным светодиодом, в этой связи при одинаковой светоотдаче лазерная фара требует отражателя размером всего 30 мм в диаметре (для сравнения у ксенона – 70 мм, у галогенок вообще — 120 мм). Такие способности лазерных фар позволили инженерам существенно уменьшить размер фар, не потеряв при этом а наоборот прибавив эффективности освещения.

Несколько слов о том, как это работает

Работать лазерный головной свет будет в тесном взаимодействии с компьютером, который руководствуясь данными с датчиков будет следить за тем, чтобы встречные автомобили и пешеходы не ослеплялись. Каждая лазерная фара содержит три диода излучающих световой луч мощностью около 1 Вт. Лучи посредством системы зеркал перенаправляются на флуоресцентный элемент после поглощения энергии последним, происходит выделение белого свечения, который формируется в световой луч.

В процессе разработки лазерных фар возникла еще одна новая технология под названием Dynamic Light Spot (в перевод с анг. — динамическое точечное освещение). Данная разработка позволяет обнаруживать пешеходов, а также другое препятствие на пути автомобиля посредством инфракрасной камеры. После того как система обнаружит преграду она автоматически подсвечивается более интенсивным светом, для того чтобы водитель мог обратить на нее внимание и безопасно его преодолеть. Что характерно, подсказка для водителя появляется с некоторым опережением, то есть до того, как объект будет подсвечен лучами ближнего света. Это необходимо для того чтобы обезопасить водителя и дать ему возможность подготовиться к выполнению тех или иных маневров и действий.

Сколько стоит замена лазерной оптики BMW 7 2017 года выпуска?

Лазерная оптика несмотря на удачные попытки автопроизводителей внедрить ее в новые модели своих авто, все еще остается чем-то футуристическим. Встречается она редко, информации о ней немного, да и стоит это инновационное решение ой как не дешево. ..

Сегодня на ФараИнфо хочу рассказать о том, во сколько обойдется замена лазерной оптики на BMW 7 серии 2017 года выпуска. Безусловно статья рассчитана не на тех, кто купил или собирается купить BMW 7 2017, таким людям, скорее всего, не интересно, что и сколько стоит. Данный материал, скорее для тех, кто знает счет деньгам и кого поражает цена современных инновационных технологий.

Как я уже рассказывал в предыдущих статьях, автомобильная оптика серьезно эволюционировала и с этим нельзя не согласиться, от обычной лампочки с отражателем до мега-продвинутых лазерных модулей, способных адаптироваться под все что только можно...

Больше других в данной области успеха добились такие бренды как Mercedes, AUDI, а также BMW. Каждый из этих автогигантов придумывает что-то свое, изобретая что-то новое и тратя миллионы на дорогостоящие разработки. В то время как остальные бренды идут по более легкому пути, копируя или просто, покупая разрешения на ту или иную технологию. Однако несмотря на то, что каждый идет своей дорогой, нередко между лидирующими компаниями возникают спорные моменты, когда кто-то, где-то присвоил себе первенство в той или иной области. Как, например, конфликт Ауди и БМВ, когда ссора возникла на почве того, кто был первым в области лазерной оптики.

Но, как говорится: "Вернемся к нашим баранам..."! Почему лазерная оптика не устанавливается на все автомобили и чем обусловлена высокая цена? Давайте разберемся...

Начну, пожалуй, с того, что лазерная оптика, которую как оказалось называют неправильно, совсем не лазерная, а — лазерно-люминофорная. Яркий фирменный свет образуется в результате подсвечивания люминофора лазерными диодами, в результате чего энергия преобразуется мощный световой луч. Система отражателей еще больше усиливает пучок света, в итоге дорога, а также все необходимые водителю дорожные элементы подсвечиваются максимально эффективно.

Второй нюанс, касающийся сценария работы лазерных фар. На самом деле лазерные фары не работают постоянно как многие ошибочно полагают, если автомобиль долго двигается со скоростью меньше 70 км/час, проще говоря в городском режиме, освещение "семерке" обеспечивают обычные лампы. Кроме того, лазерный режим не будет работать если система контроля обнаружит источники света где-то поблизости, это может быть "встречка" или автомобили, движущиеся в одном направлении. В общем, проще говоря, лазерный свет предназначен преимущественно для езды по "хайвэям", а также высокоскоростным трассам, где фары по-настоящему могут продемонстрировать весь свой потенциал. В режиме "дальний свет" лазерные фары BMW 7 способны осветить участок длиной в 500-600 метров, а это вдвое больше по сравнению с обычными фарами. При этом световой луч выглядит как тоннель, который не рассеивается и не создает неудобств для остальных участников движения. Другими словами, покупая авто с такими фарами, вы покупаете не только модную крутую фишку, вы приобретаете безопасность и комфорт передвижения.

Цена вопроса

На официальном сайте производителя есть расценки на новую оптику, поэтому узнать какая цена лазерных фар BMW 7 не составляет большого труда. Итак, если вы готовы услышать эти цифры, тогда вот вам первая порция шока. Одна передняя фара BMW Laserlight оценена производителем в невероятные $5900, а теперь давайте представим, что менять нужно две фары. Как вы понимаете за такие деньги на «вторичке» можно взять небольшой компактный автомобиль для девушки, что-то из бюджетной линейки. Второй шокирующий факт заключается в том, что в случае неисправности лазерной оптики или необходимости ее замены, вам придется подождать около 3-х недель пока запасная деталь приедет из Германии. Теперь давайте для полного счастья добавим к стоимости фар стоимость замены, а также адаптации, которыми естественно будет заниматься официальный сервис, а не друг Коля из гаража. А обойдется это примерно в $120, в итоге получаем цифру $6020.

Не так давно шоком для большинства адекватных людей была цена матричных фар Audi, однако лазерно-люминофорные фары BMW переплюнули по цене своих конкурирующих земляков. Для простых "смертных" коим собственно и является ваш покорный слуга, остается лишь надеяться на то, что лазерные фары, как и все инновации, однажды станут доступным также, как и электронные часы, мобильные телефоны, и плазменные панели. Вопрос лишь в том, когда это произойдет...

У меня все, кому было интересно, оставьте комментарий, а также поделитесь данной статьей в "социалках", используя для этого соответствующие кнопки, они находятся чуть ниже. Спасибо за внимание, всем добра и до новых встреч на farainfo.ru

Лазерная оптика и технология Dynamic LightSpot BMW :: Статьи :: BMW Мир BMW BMW AG :: RU BMW

Два года назад — в сентябре 2011 года BMW впервые презентовала новую технологию автомобильной оптики, которая была основана на применении синих лазеров. Данная технология впервые была применена на автомобиле BMW i8.

В фаре работает не один, а три лазера одновременно, а всего в автомобиле их 12 штук — по 3 штуки в каждой из двух секций.

Принцип работы данной технологии следующий: три лазера установленных на тругольной форме подают лучи на небольшие зеркала, которые делают перенаправление луча на линзу. Внутри линзы находится желтый фосфор, при воздействии на который синего лазера выделяется ярко-белый свет. Этот излучаемый фосфором свет перенаправляется на отражатель линзой, после чего отражатель проецирует свет на 180 на дорожное покрытие перед автомобилем. Внутренние составляющие фары сделаны специальным образом так, чтобы весь получившийся свет был отражен на поверхность перед автомобилем.

В компании БМВ заявляют что данная оптика в тысячу раз ярче диодных аналогов, которые применяются в настоящее время, однако с целью снижения энергопотребления автомобилем используют только половину своей максимальной яркости. Кроме того представители баварского автопроизводителя заявляют о том, что срок службы лазерной фары будет не менее 10000 часов (как у LED-фар). Важным моментом является возможность изменения размера фар, что даст возможность дизайнерам более широкого создания их форм и размерностей.

Каждый знает что лазерный луч нельзя никому направлять в глаза, т. к. существует большая вероятность повреждения сетчатки. С данными фарами причинить вред зрению просто невозможно, BMW просит об этом не беспокоится. Опасность лазера кроется в его очень сфокусированном и сконцентрированном свете. Свет же, который произведенн желтым фосфором совсем не такой. Для того чтобы это доказать, инженер из копании БМВ в присутствии приглашенных журналистов направил свой взгляд прямо в световой луч созданный фарами и предложил гостям сделать то же самое. Несмотря на то, что свет от фар является очень ярким, от данной демонстрации никто не пострадал.

Кроме того исключена возможность того, что свет лазерных фар своим действием может воспламенить объекты находящиеся перед автомобилем все по той же причине - свет который создается фарой не является лазерным лучом. Так же не стоит переживать о том что в случае аварии и разрушения фары ее лазерные лучи могут причинить вред. В БМВ подумали и над этим. В случае аварии, как и с ксеноновой оптикой — моментально прекращается подача питания на фары.

Так же компания BMW не упустила возможность презентовать свою новейшую технологию Dynamic LightSpot system, которая освещает пешеходов, находящихся на пути движения автомобиля. На представленной технической модели данные прожекторы были интегрированы в место для установки противотуманных фар и приводятся в движение системой, которая идентична адаптивному освещению поворотов. В системе используются те же технологии, которые применены в системах ночного видения BMW, в которой используются камеры и инфракрасные сенсоры для распознавания человека по силуэту и температуре тела.

В том случае если камера ночного видения распознает человека значком на дисплее системы, то при помощи системы LightSpot пешеход будет подсвечен лучом из гнезд противотуманнных фар. Так как в автомобилях противотуманных фар две, он способен наблюдать одновременно за двумя пешеходами, кроме того может провести свет вслед за пешеходом, переходящим перед авто в темноте дорогу.

Для того чтобы не отвлекать внимание на пешеходов которые не препятствуют движению автомобиля, система захватывает довольно узкое поле зрения. Компьютер наблюдает за всеми пешеходами находящимися перед автомобилем, однако система осветит только тех, которые пересекаются с траекторией движения авто, либо будет вероятность пересечения с данной траекторией.

По заявлению БМВ, система способна двигать луч быстрее чем может передвигаться любой человек. Вместе с тем в компании признают что на данный момент система испытывает некоторые трудности прти движении по серпантинам, где постоянно меняется траектория движения. Именно по этой причине она до сих пор имеет статус прототипа. И все же представители компании заверяют что Dynamic LightSpot system в значительной степени упрощает жизнь водителям и позволяет заметить пешеходов примерно на 34 метра дальше чем без нее. Водители встречного транспорта так же будут защищены от ослепления благодаря работе системы Active High Beam, следящей за встречным потоком.

В настоящее время обе системы являются прототипами, однако известно что Dynamic LightSpot до потребителя дойдет первой, но вот когда - неизвестно. Так же можно предположить что лазерная оптика через определенный промежуток времени станет такой же распространенной как сегодняшняя ксеноновая или галогенная.

Добавлено: 02. 10.2013 23:05

Лазерные фары концепта BMW i8 / Хабр

В свете последних публикаций (технологии Вольво, технологии Мерседес), читатели Хабра попросили рассказать более подробную информацию о технологических новинках автомобилестроения. Мне кажется, что одна из самых интересных и перспективных разработок на данный момент — лазерные фары от БМВ.

В сентябре 2011 года БМВ представила новую технологию автомобильных фар, основанную на использовании синих лазеров. Эта технология впервые применяется на автомобиле BMW i8, который был показан на Франкфуртском автосалоне в 2009 году. В фаре используется не один, а сразу три лазера, всего в автомобиле их 12 — по 3 в каждой из 2 секций фары. Чтобы понять как эта технология работает посмотрите на диаграмму.

Три лазера (A) установлены на треугольную форму и светят на маленькие зеркала (В), которые перенаправляют луч на линзу(С). Внутри линзы (С) находится желтый фосфор, который под воздействием синего лазера излучает яркий белый свет. Этот свет излучаемый фосфором, перенаправляется линзой на отражатель (D), который отбрасывает свет на 180 градусов на дорогу перед автомобилем. Внутренности фары созданы специальным образом так, что весь созданный свет отражается на поверхность перед автомобилем. Вверху справа на фотографии вы можете увидеть как работает один из 6 лазеров, хоть его луч и перекрыт карточкой. Учтите, что такая конфигурация лишь одна из возможных и можно сделать фары почти любого размера и формы.

На этой фотографии вы можете увидеть как фары работают на полную мощность. БМВ заявляет, что эти фары в 1000 раз ярче чем диодные фары, которые используются сейчас, но используют лишь половину яркости, чтобы снизить потребление электричества автомобилем. Так же, представители компании заявляют, что срок службы фар не менее 10 000 часов, такой же как у LED фар. Что важно, возможность изменения размера фар позволит дизайнерам более свободно создавать форму фар и их размер.

Конечно, первое, что мы знаем о лазерах это то, что их не надо никому направлять в глаза, чтобы не повредить сетчатку глаза. С этими фарами это просто невозможно, БМВ просит не беспокоиться. Лазер опасен тем, что его свет очень сконцентрированный и сфокусированный. Свет же, производимый желтым фосфором не такой, а чтобы это доказать инженер БМВ посмотрел прямо в луч света создаваемый фарами и пригласил журналистов сделать то же самое. Несмотря на то, что свет фар очень яркий, ни автор текста, ни кто-либо другой не пострадал от этой демонстрации.
Так же исключается возможность того, что свет фар может поджечь объекты перед автомобилем (несмотря на то, что инженер поджег ароматическую палочку от одного из лазеров автомобиля, чтобы продемонстрировать его мощность) по той же причине. Свет создаваемый фарой не является лучом лазера исходя из другой природы самого получения света. Если вы боитесь лазеров, которые вылетят из фары при аварии и начнут разрушать всё вокруг — не беспокойтесь, БМВ позаботилась и об этом, в случае ДТП, так же как и с ксеноновыми фарами — сразу отключается подача электроэнергии на фары.

BMW так же не упустила возможность представить новую технологию Dynamic LightSpot system, которая подсвечивает пешеходов, которые находятся у вас на пути. На технической модели, которую нам показывали эти прожекторы были встроены в установочное место противотуманок и приводятся в движение системой аналогичной адаптивному освещению поворотов. Система использует те же технологии, что используются в системе ночного видения БМВ, которая использует инфракрасные сенсоры и камеры, чтобы распознать человека по температуре тела и силуэту.
Если камера ночного видения обозначит пешехода значком на дисплее развлекательной системы, то система LightSpot более активная и подсветит пешехода одним лучом из места противотуманок. Поскольку в автомобиле две противотуманки, автомобиль может следить сразу за двумя пешеходами, а так же она может вести свет за пешеходом, переходящим дорогу в темноте перед вами.

Чтобы не отвлекаться на пешеходов, не мешающих движению автомобиля, система имеет достаточно узкое поле зрения. Компьютер следит за всеми пешеходами, которые есть перед автомобилем, но система подсветит только тех, что будут пересекаться с траекторией автомобиля или будет угроза пересечения этой траектории. BMW заявляет, что система может двигать луч быстрей чем может бежать любой человек, так что возможности убежать от луча у вас не будет. Правда, в БМВ говорят, что система пока что испытывает трудности на серпантине, где автомобиль постоянно меняет траекторию движения. Именно по-этому это все еще прототип. И все же, компания говорит, что эта система значительно упрощает водителями жизнь и позволяет увидеть пешеходов в среднем на 34 метра раньше чем без нее. Встречные водители так же будут избавлены от любого ослепления, потому что у БМВ есть система Active High Beam, которая следит за встречным трафиком и не позволит ослепить водителей.

Пока что обе системы — прототипы. Dynamic LightSpot дойдет до потребителя первой, хоть БМВ и не говорит когда. Но возможно, скоро придет время когда лазерные фары станут так же распространены как галогенные или ксеноновые фары распространены сегодня.

Лазерное освещение — луч, указывающий дорогу в будущее / Статьи и обзоры / Элек.ру

Применение лазеров охватывает значительную часть деятельности человека. Лазер является источником света с уникальными свойствами, тем не менее он долго не применялся для освещения. И вот, наконец, удалось создать образец системы освещения на основе лазера, которая пригодна для массового производства. О том, как работает лазерное освещение, его преимуществах и недостатках, пойдет речь в настоящей статье.

На выставке потребительской электроники CES 2019, прошедшей в январе 2019 года в Лас-Вегасе, была представлена автомобильная фара на основе лазера. Такие продукты в виде опытных продуктов демонстрировались и ранее, например, в 2014 году. Но на этот раз интрига была, во-первых, в том, что наконец-таки был представлен продукт, готовый к серийному производству, во-вторых, он имел принципиально новый функционал (дальность действия до 1 км, поддержка технологии передачи данных световым лучом Li-Fi) и, в-третьих, в проекте принял участие нобелевский лауреат Сюдзи Накамура, один из создателей светодиодов белого свечения.

Возможности лазера

Свойства лазерного луча действительно удивительны. Вы можете сфокусировать его, получив на большом расстоянии световое пятно малого размера. Лазером можно резать металлические листы. Наконец, лазеры применяются в медицине, как для проведения операций, так и для безоперационного лечения.

Чтобы понять, чем обусловлены возможности лазера, сравним его с некоторыми видами источников излучения, применяемых для освещения. Для этого вспомним, что свету свойственен так называемый корпускулярно-волновой дуализм: он одновременно представляет собой как электромагнитную волну, так и поток мельчайших частиц (фотонов).

Излучение лампы накаливания состоит из бесконечно большого числа составляющих с разной длиной волны в широком спектре. Излучение светодиода определенного цвета (не белого) состоит из бесконечно большого числа составляющих в относительно узком спектре. Длину волны, на которой приходится максимум спектральной плотности, принято считать длиной волны излучения светодиода. Газоразрядные источники низкого давления дают спектр, состоящий из одной или нескольких узких полос. Например, натриевые лампы низкого давления дают одну спектральную составляющую с длиной волны 620 нм. Такое свойство называется монохромностью. Однако излучение света происходит спонтанно, в результате фотоны, вылетающие из лампы, имеют разные направления распространения, поляризацию и фазу.

Лазерное излучение обладает такими свойствами, как монохромность, определенная поляризация и, самое главное — когерентность. Каждый фотон, вылетающий из лазера, имеет точно такие же свойства, как и предыдущий, а именно, те же направление движения, поляризацию и фазу. В итоге происходит усиление света по сравнению со спонтанным излучением.

Лазерное излучение может быть точно сфокусировано. Оптические свойства материала линзы зависят от длины волны преломляемого света. Поэтому если вы фокусируете солнечный свет или свет лампы накаливания, то получите не одну точку, а пятно очень малых, но все же конечных размеров.

Когда лазерное излучение проходит через линзу, то зависимость коэффициента преломления от длины волны никак не сказывается, потому что весь спектр состоит из одной составляющей с заданной длиной волны. Излучение фокусируется в одной точке бесконечно малых размеров. Благодаря этому лазерным излучением можно резать металл, также удается сфокусировать луч лазера на большом расстоянии.

Лазер обладает высокой энергоэффективностью, так как по своему принципу работы является резонансным устройством (в отличие от светодиодов и других источников света). Для того, чтобы понять, что это может дать для светотехники, проведем аналогии со звучанием старых концертных залов, построенных еще до появления звукоусилительной аппаратуры. В них звук усиливается за счет системы резонаторов, настроенных на частоту человеческого голоса. В итоге звук исполнителя на сцене хорошо слышен по всему залу, хотя дополнительная энергия при этом не расходуется. Точно так же за счет резонансных явлений полупроводниковый лазер более эффективен, чем светодиод и другие источники света.

Но монохроматичность лазера с точки зрения освещения является большим недостатком. Для систем освещения нужен белый свет, то есть широкополосное излучение. Таким образом, решение задачи создания системы лазерного освещения сводится к сочетанию таких, казалось бы, несочетаемых вещей, как монохромность и коге-рентность, с одной стороны, и широкополосность, с другой.

Как создавался лазер.
Предшественником лазера был мазер — прибор, работающий на схожем принципе, но дающий излучение не в световом, а в микроволновом диапазоне. Мазер был изобретен в середине 50-х годов советскими учеными Николаем Басовым и Александром Прохоровым, а также, независимо от них, американцем Чарлзам Таунсом. В 1964 году все трое были удостоены за изобретение мазера Нобелевской премии по физике.
Первый лазер, дающий излучение в видимом диапазоне, создал в 1960 году американский физик Теодор Майман.
В настоящее время наибольшее распространение получили полупроводниковые лазеры, изобретенные в 1963 году советским физиком Жоресом Алферовым и, независимо от него, американским физиком немецкого происхождения Гербертом Кремером. Но массовое производство таких лазеров стало возможным только в конце 70-х годов. За исследования в области полупроводниковых гетероструктур, приведшие, в частности, к созданию полупроводниковых лазеров, Жорес Алферов и Герберт Кремер были удостоены в 2000 году Нобелевской премии по физике.

Спектр излучения (слева направо):
люминесцентной лампы, светодиода на основе фиолетового чипа и обычного светодиода

От SORAA — к лазерному освещению

Основой для классического белого светодиода является кристалл, излучающий синий цвет с длиной волны 450 нм. На этот кристалл наносится люминофор, дающий зеленые и красные составляющие спектра в результате возбуждения его синим свечением. В результате суммирования излучения кристалла и люминофора получается белое свечение. Недостатком такого подхода является наличие явно выраженного всплеска в синей области спектра и «провала» в синезеленой части. С развитием технологии эти проблемы постепенно решались, тем не менее радикально улучшить цветопередачу светодиодов удалось, перейдя на принципиально новую технологию, развитие которой проложило дорогу лазерным осветительным системам.

Сюдзи Накамура основал компанию SORAA для развития технологии так называемых фиолетовых светодиодов. Основой таких светодиодов является чип, излучающий свет с длиной волны около 400 нм, находящийся на границе видимого диапазона и ультрафиолетового излучения. Чип покрывается трехполосным люминофором, который, будучи возбужденным излучением с длиной волны 400 нм, дает излучение синего, зеленого и красного цвета. Суммируясь, эти составляющие в итоге дают белое свечение. Принципиальным моментом является то, что люминофор практически полностью поглощает излучение чипа, то есть составляющая с длиной волны 400 нм в правильно сконструированном фиолетовом светодиоде не должна выходить за пределы устройства. Аналогичные светодиоды выпускают сейчас несколько фирм, в качестве примера можно привести линейку SunLike от Seoul Semiconductor.

Трехполосный люминофор можно возбуждать не светодиодом, а полупроводниковым лазером с длиной волны 400 нм. При этом мы также получим белое свечение, не содержащее в своем спектре исходного лазерного излучения. Именно на таком принципе и основаны лазерные системы освещения. Неудивительно, что компания SLD Laser, представившая произведшую на CES 2019 фурор автомобильную фару, стала ответвлением от SORAA, а ее техническим директором является все тот же Сюдзи Накамура.

Испытание предсерийного образца лазерной фары от SLD Laser

Проблема создания светодиодных фар

Светодиодные фары ближнего света используются сейчас в автомобилях повсеместно. А вот фары дальнего света на галогенных лампах по-прежнему превосходят по основным характеристикам светодиодные. Проблема заключается в том, что для таких фар источник света должен иметь как можно меньшие размеры. Но размеры светодиода сдерживаются ограничениями по плотности тока через него. Плотность тока равна отношению силы тока, протекающего через кристалл, к площади его сечения. То есть чем больше требуется световой поток, тем больший ток должен протекать через светодиод. И тем большими размерами должен обладать кристалл.
На современном уровне развития полупроводниковой светотехники обеспечить нужный световой поток от одного кристалла невозможно. Поэтому в фарах применяют светодиодные матрицы, обладающие значительными световыми габаритами. Кроме того, есть проблемы с отведением тепла от светодиодов, сосредоточенных в одном месте. Решить перечисленные проблемы можно с помощью лазерных систем освещения.

Освещение дороги светодиодными фарами (слева)
и опытным образцом лазерных фар, разработанных BMW

Преимущества лазерных систем для фар

Максимальная плотность тока в полупроводниковом лазере может быть в 1000 раз больше, чем в светодиоде. Благодаря этому можно значительно уменьшить размеры кристалла, что важно для автомобильных фар.

Резонансные явления, о которых упоминалось ранее, обеспечивают более высокий КПД полупроводниковых лазеров относительно светодиодов. То есть увеличивается доля энергии, идущая на полезное излучение, и одновременно уменьшается нагрев кристалла. Но лазеры позволяют принципиально по-новому организовать охлаждение источника света. От одного кристалла можно получить больший световой поток. SLD Laser объявила, что ей удалось получить световой поток 1000 лм от одного SMD лазера для освещения.

Лазер можно разместить отдельно от фары, в том месте автомобиля, где можно обеспечить его наилучшее охлаждение. Излучение лазера подается в фару по световоду и преобразуется в белое свечение непосредственно в фаре при помощи трехполосного люминофора. Внимательный читатель может отметить, что теоретически такую схему построения фары можно реализовать и с применением светодиодов. Но существующие на практике технологические ограничения позволяют реализовать ее только на основе лазера. Именно лучи лазера можно точно сфокусировать, чтобы они полностью вошли в световод. Потери в световоде минимальны только для одной длины волны, при передаче через него даже узкополосного спектра синего светодиода потери значительны, чего не скажешь о лазере, настроенном на «окно прозрачности» световода.

Важное преимущество лазерной осветительной системы — возможность размещения
источника света вне осветительного прибора с передачей излучения по оптоволокну.
Это позволяет обеспечить оптимальный температурный режим источника света

Li-Fi в фарах на лазерах

Широко разрекламированным преимуществом фар на основе лазера является возможность реализации технологии Li-Fi. Эта технология позволяет передавать информацию путем модуляции светового потока на частоте, не заметной глазу. В принципе, Li-Fi можно реализовать на любом полупроводниковом источнике света, для этого подходит и светодиод. Новизна заключается в том, что на полупроводниковом источнике света, а именно, на полупроводниковом лазере создана фара дальнего света, причем с дальностью до 1 км. Ранее технология Li-Fi использовалась для связи в пределах офиса, на расстоянии порядка нескольких метров.

Через Li-Fi автомобиль на дороге может передавать другим участникам дорожного движения, например, информацию о своих параметрах, количестве и составе пассажиров (есть ли дети), цели поездки (может заменить или дополнить классическую «мигалку»). Все это станет особенно актуальным при переходе на беспилотные автомобили.

Фара — лазерная, но спектр — обычный.
Следует отметить, что из автомобильной фары выходит излучение с широким спектром, близким к спектру солнечного света. Это — не лазерное излучение! Лазер используется только для возбуждения люминофора. Возможность фокусировки светового пучка на большие расстояния обусловлена не когерентностью излучения, а исключительно малым размером источника света. Но именно такой размер обеспечивается благодаря уникальным свойствам лазера.

Недостатки систем освещения на основе лазера

Как и у любой технической новинки, у систем освещения на основе лазера высокая стоимость и отсутствие широкого опыта применения. Если речь идет об автомобильных фарах, то пока правовое регулирование их отсутствует. Разработчики представленной на CES 2019 фары уверяют, что ее применение в США легально уже в силу того, что законодательство страны не запрещает использование лазерных фар.

Более серьезной проблемой являются вопросы безопасности для здоровья. Лазерное излучение обладает свойствами вызывать резонанс в клетках человеческого организма. Это свойство уже давно используется в медицине. Но одно дело, когда лазерное излучение подается с определенной длиной волны, в строго определенных дозах под наблюдением врачей. И совсем другое — не-контролируемое лазерное излучение с длиной волны, выбранной не по медицинским, а по иным соображениям.

В том случае, если система освещения на основе лазера сконструирована правильно и только что изготовлена, она безопаснее обычных светодиодов. Излучение лазера практически полностью поглощается люминофором, так что в спектре нет даже пресловутого «синего пика». Но при отступлении от технологии в процессе производства, а также при старении правильно изготовленного источника света способность люминофора поглощать лазерное излучение снижается. Наружу «вырывается» лазерное излучение, которое действительно опасно для окружающих.

По мнению автора статьи, решить эту проблему можно, снабдив каждую осветительную систему на основе лазера датчиком, определяющим выход лазерного излучения наружу. При обнаружении такого явления источник света автоматически отключается и включить его обратно пользователь самостоятельно не может. Но такая защита приведет к удорожанию инновационных систем освещения.

Перспективы использования лазера в освещении

Помимо автомобильных фар дальнего света, использование систем освещения на основе лазера имеет смысл для создания мощных прожекторов с углом распределения света менее 1 градуса. Также осветительные приборы на основе лазеров могут найти применение на высокоточных производствах и в медицине, там, где нужно точно сфокусировать пучок света в определенном месте.

Применение лазерных систем для уличного освещения, а также общего интерьерного освещения пока нецелесообразно из-за дороговизны и нерешенных проблем с безопасностью. Тем не менее перспективно использование лазерных систем освещения в охранных целях (в режиме включения на короткий промежуток времени), что позволит просматривать пространство на большем расстоянии, чем при использовании обычного освещения.

Источник: Алексей Васильев, журнал «Электротехнический рынок»

Лазерные фары — Будущее и настоящее

Технологии в автомобилестроении продолжают развиваться очень быстро. Иногда кажется, что за последние годы новые девайсы и усовершенствования для обычных автомобилей появляются буквально каждый месяц, о чем свидетельствуют крупнейшие салоны по всему миру. Еще десять лет назад восторг у многих вызывали светодиодные фары, пришедшие на смену галогену и ксенону. Сегодня же главным хитом последних лет можно назвать лазерные фары. Они намного более сложные, а их эффективность в сравнении с предшественниками увеличена в несколько раз. Проще говоря, уже через 5 лет, скорее всего, главным устройством основного источника света в обычной машине будут именно лазерные фары. В этой статье мы постараемся разобраться в том, что же это за устройства, как они работают и насколько близок тот час, когда новый вид фар станет для нас не будущим, а нестоящим.

Как работают лазерные фары автомобиля

Вообще, любая лазерная технология, так или иначе, связана с популярной фантастикой. К примеру, некоторые транспортные средства самого известного шпиона в мире Джеймса Бонда были оснащены лазерными фарами, способными поджигать авто негодяев. Но, с реальностью тут связи мало, если не сказать, что ее практически нет. Речь идет об очень безопасном источнике света, который может быть установлен на обычный частный транспорт. И главное преимущество таких фар, если сравнивать с любыми другими – эффективность.

Для того чтобы понять, насколько «лазеры» лучше обычного света, стоит подробнее остановиться на их устройстве и принципе работы.

Главная составляющая, которая дает возможность грамотно и ярко освещать дорогу – желтый фосфор. Это лишь химический элемент, сам по себе не дающий нужного осветительного эффекта. Но, стоит ему работать в связке с лазером, который и будет обеспечивать свечение фосфора, как мы тут же получим очень яркий, сильный и, что главное, контролируемый свет из автомобильных фар.

Первые лазерные фары принадлежат BMW. Именно этот автопроизводитель впервые представил свои наработки в этой сфере. В основе технологии лежат три лазера синего цвета, которые одновременно или поочередно направляются программой на небольшую «лампу» кубической формы. Лампа наполнена тем самым желтым фосфором. Буквально через доли секунды после попадания лазера на фосфор, тот начинает издавать яркий белый свет, по интенсивности превышающий любой другой источник света, до этого созданный человечеством. При этом, энергозатраты такие же, как при использовании самых простых или светодиодных фар. Также в конструкцию лазерной фары входят специальные отражатели, установленные так, чтобы практически сто процентов излучаемого света концентрировать на дорожном полотне, не давая ему рассеиваться.

Что касается безопасности, то какое-то время общественность немного нервничала. Как известно, лазеры могут нанести серьезный вред сетчатке человеческого глаза – они могут за несколько секунд безвозвратно ослепить человека, если источник света достаточно сильный. Но, компания BMW предложила совершенно уникальную технологию, в которой лазеры работают исключительно для принудительного «розжига» желтого фосфора. Таким образом, свет лазера, порой опасный для человеческого глаза, не выходит за пределы лазерной фары и не способен никоим образом навредить окружающим.

Более того, безопасность поддерживают сразу несколько компьютерных передовых систем, отвечающих за контроль работы лазера. Даже во время аварии, когда есть вероятность того, что оболочка конструкции может быть повреждена, программы отключат лазер еще до того, как произойдет столкновение. Так что, для любителей искать опасности там, где их нет, снова грустный день – лазерные фары, как от БМВ, так и все другие аналоги, уже сейчас, на начальных стадиях разработки, являются полностью безопасными, как для водителя транспортного средства, так и для всех окружающих.

Главные плюсы лазерных фар

Даже самые передовые технологии человечества не лишены недостатков. Но, зачастую они никак не связаны с самой «начинкой». Так, лазерные автомобильные фары вы вряд ли сможете самостоятельно сделать или починить в любом СТО, но, в свое время далеко не каждый мастер брался за починку вполне привычного сегодня галогена. С точки зрения конструкции и эксплуатации, у лазерного освещения практически нет минусов.

Как мы уже упоминали выше, главное преимущество новых фар – повышенная эффективность при обычных затратах энергии. На данный момент БМВ предлагает освещение в два раза интенсивнее, чем у галогеновых фар. Более того, такие показатели наблюдаются у приборов, в три раза меньшей мощности, чем стандарт при использовании ксенона.

Более того, лазерная фара, сама по себе, позволяет максимально увеличить четкость окружения в ночное время. Если ксеноновые фонари могут предложить вам 300-400 метров дальности нормального различия пешеходов и автомобилей на дороге в ночное время, то этот же показатель у лазера достигает шести сотен метров, что в несколько раз превышает требования к безопасному освещению на большой скорости.

Свет, создаваемый такими передовыми устройствами – яркий и белый. Это намного лучший вариант, в сравнение с галогеном и обычными лампами накаливания, выдающими немного желтоватый свет, часто искажающий цвета и тени, и как следствие, вводящий водителя в заблуждение. При этом мешать водителю, который едет вам навстречу, такие фары не будут. На первых этапах разработки данная проблема существовала, но сегодня в лазерные фары встраиваются специальные контроллеры, способные сосредотачивать свет пучками в нужном нам направлении. Если включить автоматический режим, то датчики самостоятельно будут обнаруживать впереди пешеходов, дорожные знаки, автомобили и другие препятствия – электроника будет уменьшать интенсивность света, направленного на них, как бы, выделяя все препятствия для водителя и не ослепляя при этом окружающих. Также существует система, самостоятельно включающая «имитацию обычных фонарей» в условиях езды по городу, где не требуется сильная насыщенность и контрастность освещения.

Развитие лазерного освещения в авто

Некоторые серийные продукты БМВ уже сегодня оснащаются лазерными фарами вспомогательного действия. То есть, речи о полноценном использовании лазера в серийных автомобилях пока не идет, но вот лазерные противотуманные фары вполне доступны для большинства владельцев авто. Суть их работы в том, чтобы грамотно подсвечивать помехи на дороге, которые могут привести к аварийной ситуации.

Наиболее показательный пример использования лазера в противотуманных фонарях – подсветка пешеходов, выскакивающих на дорогу. Сначала в дело вступает радар с инфракрасными волнами, который первым обнаруживает крупное движущееся препятствие (человека, животного). Датчики способны без труда улавливать излучение тела на достаточно больших расстояниях. После этого в дело вступают лазерные «огни поиска», которые усиливают интенсивность освещения в нужной точке, «показывая» водителю движущийся живой объект впереди. Как показывают тесты, такие устройства в современных противотуманках снижают время обнаружения живых существ спереди на 3-7 секунд, что в условиях высокой скорости можно буквально назвать целой вечностью – водитель успеет полностью затормозить и остановиться за несколько десятков метров до выскочившего пешехода.

На данный момент существуют и полностью рабочие лазерные фары головного света. Проблема только одна, но она довольно существенна – стоимость. В сравнение с галогеном, лазер сегодня стоит в три-четыре раза больше. Более того, так как за все отвечает электроника, на особо изменчивых дорогах (горный серпантин) и крайне высоких скоростях (от 250 километров в час), лазерные фары могут не успевать быстро реагировать на смену обстановки. Так что, полноценные лазеры в фонарях машин мы сможем увидеть только лет через пять. Сегодня это пока что лишь концепты, вызывающие овации на различных выставках и автосалонах по всему миру.

Многие специалисты считают, что по большей части лазерные фары от BMW и других производителей, это пока что только прототипы, не способные полноценно работать так, как нарисовано в пресс-релизах. Но, без сомнения, будущее именно за лазерным освещением, выход которого на лидирующие места уже очень близок. По поводу внедрения в серийные модели авто, инженеры дают срок не больше 10 лет.

Принципы работы лазера

Принципы работа лазера

В В лазерах фотоны взаимодействуют с атомами тремя способами:

  • Поглощение излучения
  • Спонтанный выброс
  • Стимулированный выброс

Поглощение излучения

Поглощение из излучение - это процесс, при котором электроны в земле государство поглощает энергию от фотонов, чтобы перейти на более высокий энергетический уровень.

электроны вращающиеся очень близко к ядру, имеют более низкую энергию уровень или более низкое энергетическое состояние, когда электроны вращаются по орбите дальше от ядра находятся на более высоком энергетическом уровне. Электроны на нижнем энергетическом уровне нуждаются в дополнительной энергии. прыгнуть на более высокий энергетический уровень. Эта дополнительная энергия обеспечивается от различных источников энергии, таких как тепло, электрическая поле или свет.

Пусть Рассмотрим два уровня энергии (E 1 и E 2 ) электронов. E 1 - основное состояние или ниже энергетическое состояние электронов и E 2 - возбужденное состояние или более высокое энергетическое состояние электронов. Электроны в основное состояние называется электронами с более низкой энергией или основным состояние электронов, тогда как электроны в возбужденном состоянии называется электронами более высокой энергии или возбужденными электронами.

В в общем, электроны в состоянии с более низкой энергией не могут прыгать в более высокое энергетическое состояние. Им нужно достаточно энергии в порядок перехода в более высокое энергетическое состояние.

Когда фотонов или световой энергии, равной разности энергий два энергетических уровня (E 2 - E 1 ) на атоме, электроны в основном состоянии получают достаточную энергию и прыгают из основного состояния (E 1 ) в возбужденное состояние (E 2 ).

поглощение излучения или света возникает только в том случае, если энергия падающего фотон точно соответствует разнице энергий двух уровни (E 2 - E 1 ).

Спонтанный выброс

Спонтанный выброс это процесс, при котором электроны в возбужденном состоянии возвращаются в основное состояние, испуская фотоны.

электроны в возбужденном состоянии может находиться лишь на короткое время. В время, до которого возбужденный электрон может оставаться на более высокой энергии состояние (E 2 ) известно как время жизни возбужденного электроны. Время жизни электронов в возбужденном состоянии 10 -8 второй.

Таким образом, после короткого времени жизни возбужденных электронов они возвращаются в более низкое энергетическое состояние или основное состояние, высвобождая энергию в виде фотонов.

В спонтанный излучения электроны движутся естественным или самопроизвольным образом из одно состояние (более высокое энергетическое состояние) в другое состояние (более низкая энергия состояние), поэтому испускание фотонов также происходит естественным образом. Следовательно, мы не можем контролировать, когда возбужденный электрон теряет энергию в виде света.

фотоны, испускаемые в процессе спонтанного излучения, составляют обычный некогерентный свет.Некогерентный свет - это луч фотоны с частыми и случайными изменениями фазы между их. Другими словами, фотоны, испускаемые в спонтанном выбросы не протекают точно в одном направлении падающие фотоны.

Стимулированный выброс

Стимулированный выброс это процесс взаимодействия падающего фотона с возбужденный электрон и заставляет его вернуться в основное состояние.

В стимулированный излучения, световая энергия поступает непосредственно в возбужденный электрон вместо подачи световой энергии в основное состояние электроны.

В отличие от спонтанное излучение, вынужденное излучение не является естественный процесс это искусственный процесс.

В спонтанный эмиссии, электроны в возбужденном состоянии останутся там пока не закончится его жизнь.По завершении своей жизни они возвращаются в основное состояние, высвобождая энергию в форма света.

Однако при вынужденном излучении электроны в возбужденном состоянии не нужно ждать завершения их жизни. Альтернатива используется для принудительного возврата возбужденного электрона в основное состояние до завершения их срока службы.Этот техника известна как вынужденное излучение.

Когда инцидент фотон взаимодействует с возбужденным электроном, он заставляет возбужденный электрон, чтобы вернуться в основное состояние. Это взволновало электрон выделяет энергию в виде света при падении на основное состояние.

В стимулированное излучение, испускаются два фотона (один дополнительный фотон испускается), один из-за падающего фотона а еще один связан с выделением энергии возбужденных электрон.Таким образом испускаются два фотона.

стимулированный процесс эмиссии очень быстрый по сравнению со спонтанным эмиссионный процесс.

Все испускаемые фотоны при вынужденном излучении имеют одинаковые энергии, той же частоты и синфазны. Поэтому все фотоны в вынужденном излучении перемещаются в том же направление.

количество фотонов, испускаемых в стимулированном излучении, зависит от числа электронов на более высоком уровне энергии или возбужденное состояние и интенсивность падающего света.

Это можно записать как:

Количество выпущенных фотоны α Количество электронов в возбужденном состоянии + падающий свет интенсивность.

Введение в лазерный датчик - инженерные проекты

Привет всем! Я надеюсь, что вы все будете в полном порядке и весело проведете время.Сегодня я собираюсь подробно обсудить Introduction to Laser Sensor . Лазерный датчик - это в основном электронное устройство, которое мы часто используем для определения точного положения, а также небольших объектов. Лазерные датчики излучают или излучают лазерный свет. Этот лазерный свет состоит из световых волн одинаковой длины. Благодаря этому лазерный свет распространяется в параллельном направлении от источника, излучающего этот свет. Благодаря движению в параллельном направлении он может передаваться на большие расстояния.Этот свет опасен для людей, поэтому мы не должны смотреть прямо на него. Он вызывает серьезное поражение глаз и даже может ослепить любого. Как мы знаем, оптоволоконные кабели используются для тезисов связи, и для передачи данных используется только свет. Если связь осуществляется на меньшее расстояние, в качестве источника передачи информации будет использоваться светодиод. Если мы хотим общаться на больших расстояниях, мы должны использовать лазер, потому что он имеет световые волны одинаковой длины и может передаваться на большие расстояния.Если мы используем лазер для более короткой связи, среда будет перегружена большим количеством информации, и, следовательно, данные будут повреждены и не могут быть отправлены на принимающую сторону. Лазерный датчик в основном состоит из двух проводов, но если он прикреплен к небольшой печатной плате, то он имеет три контакта, которые будут рассмотрены позже. Дополнительная информация о модуле лазерного датчика будет предоставлена ​​позже в этом руководстве.

Введение в лазерный датчик

Laser Sensor - это электронное устройство, обычно используемое для обнаружения небольших объектов.Он также используется для определения точных позиций. Лазерный свет имеет световые волны одинаковой длины. Благодаря тому, что лазерный свет распространяется в параллельном направлении. Это опасно для людей, потому что может вызвать серьезные проблемы с глазами, если смотреть прямо на свет, когда он включен. Это также может вызвать слепоту. Его можно использовать для передачи данных на большие расстояния, что считается его основным преимуществом. Модуль лазерного датчика показан на рисунке ниже.

1. Контакты лазерного датчика

  • Лазерный датчик имеет в основном два контакта, обычно известные как контакты питания.
  • Оба контакта представлены в таблице, показанной на рисунке ниже.

2. Описание контактов лазерного датчика

  • Чтобы правильно использовать устройство, мы должны знать функции всех контактов ввода / вывода.
  • Описание контактов лазерного датчика приведено в таблице на рисунке ниже.

3. Принцип работы лазерного датчика

  • Лазер излучал лазерный луч, как показано на рисунке ниже.
  • Линза приемника концентрирует свет, отраженный от цели, и создает изображение на светоприемном элементе.
  • Концентрированный свет отражается под разными углами при изменении расстояния.
  • С изменением угла сосредоточенного света соответственно изменяется и положение изображения.
  • Я предоставил три изображения на разном расстоянии на рисунке, показанном ниже.
  • Из трех приведенных ниже рисунков легко понять принцип работы лазерного датчика.
  • Принцип работы лазера для эталонного расстояния показан на рисунке ниже.
  • Принцип работы лазера для меньшего расстояния показан на рисунке ниже.
  • Принцип работы лазера на больших расстояниях показан на рисунке ниже.

4. Номиналы лазерных датчиков

  • Рейтинги предоставляют нам основные и общие характеристики любого электронного устройства.
  • Номинальные параметры лазерного датчика приведены в таблице, приведенной на рисунке ниже.

5. Приложения для лазерных датчиков

  • В большинстве случаев электронные устройства известны на основе их приложений.
  • Лазерный датчик находит широкое применение в реальной жизни.
  • Некоторые из распространенных приложений перечислены в таблице, показанной на рисунке ниже.

6. Преимущество лазерного датчика

  • Преимущества - это параметры, которые могут повысить эффективность конкретного устройства. Преимущества лазерного датчика
  • показаны в таблице на рисунке ниже.

7. Недостаток лазерного сенсора

  • Как и другие устройства, лазерный сенсор имеет ряд серьезных недостатков.
  • Некоторые из основных недостатков, которых можно избежать, перечислены в таблице на приведенном ниже рисунке.
В учебном пособии Введение в лазерный датчик, я объяснил основные параметры, связанные с лазерными датчиками и которые важно знать перед их использованием. Надеюсь, вам понравился урок, и надеюсь на вашу признательность. Если у вас возникнут какие-либо проблемы, вы можете в любое время задать их нам в комментариях. Наша команда всегда готова помочь вам.Я поделюсь разными интересными и информативными темами в моем следующем уроке. А пока позаботьтесь и пока 🙂

ЛАЗЕР (усиление света за счет вынужденного излучения)

Усиление света вынужденным излучением излучения. Источник, излучающий интенсивный, концентрированный и сильно параллельный пучок когерентного света, работает по принципу квантовой теории света.

Свойства лазера

Монохроматичность Сильно монохроматическое излучение

Интенсивность Лазерные лучи очень интенсивны, так как большое количество фотонов сосредоточено в небольшой области.

Когерентность Идеально когерентные, поскольку излучаемые световые волны имеют одинаковую фазу друг с другом.

Направленность Путешествует в одном направлении, поскольку фотоны движутся вдоль оптической оси системы.

Основные концепции Laser Action

Поглощение: Атомы в более низком энергетическом состоянии поглощают энергию падающего фотона и переходят в более высокое энергетическое состояние. Вероятность всасывания зависит от:

  • Число атомов, находящихся в низкоэнергетическом состоянии.
  • Сила падающего света

Спонтанное излучение: Атомы в состоянии с более высокой энергией перескакивают в состояние с более низкой энергией с испусканием фотона случайным образом (то есть без влияния фотона) Вероятность спонтанного излучения зависит от:

  • Число атомов, доступных в возбужденном состоянии.

Вынужденное излучение: Атомы в возбужденном состоянии перескакивают в нижнее состояние под действием другого фотона, испускают фотон той же частоты, что и падающий фотон.Вероятность вынужденного выброса зависит от:

  • Число доступных атомов в возбужденном состоянии
  • Сила падающего света
Направление распространения энергии, фаза и состояние поляризации энергии испускаемого фотона точно такие же, как и у стимулирующего фотона. Таким образом, фотоны когерентны.

Принцип работы лазера

  • На основе явления вынужденного излучения и спонтанного излучения
  • Активная среда должна иметь одно метастабильное состояние помимо возбужденного состояния и основного состояния.-8 сек, но в метастабильном состоянии дольше.
  • Когда атомы возбуждаются светом подходящей длины волны, они перескакивают из более низкого энергетического состояния в возбужденное, поглощая фотоны.
  • Но атомы могут оставаться в возбужденном состоянии только в течение небольшого промежутка времени, и они возвращаются обратно за счет спонтанного излучения.
  • Многие из них находятся в метастабильном состоянии, когда время их жизни больше и получается инверсия населенностей.
  • После получения инверсной населенности фотон, полученный от спонтанного излучения, заставляет ударить атом метастабильного состояния.
  • Возбужденный атом в метастабильном состоянии стимулируется испускать фотон с той же энергией, что и у стимулирующего фотона.
  • Стимулирующие и стимулированные фотоны дают большое количество когерентных фотонов за счет повторяющихся стимулированных излучений при прохождении через атом.
  • Следовательно, усиление света происходит из-за умножения фотонов, все из которых имеют одинаковую частоту, направление и фазу.

Инверсия населения Искусственная ситуация, которая создается путем генерации большого количества атомов в состоянии с более высокой энергией, чем в состоянии с более низкой энергией.

Насосная Явление достижения инверсии населенностей, то есть процесс, который поднимает атомы из более низкого энергетического состояния в более высокое энергетическое состояние в активной среде. Методы:

  • Оптическая накачка: источник света используется для подачи световой энергии и создания инверсии населенности с помощью оптического фотона
  • Электрическая накачка: электрический разряд преобразует газовую среду в плазму, которая высвобождает электроны, которые, в свою очередь, ускоряются сильными электрическими полями, присутствующими в трубке.Эти электроны при столкновении с атомами нейтрального газа заставляют некоторые атомы переходить в возбужденное состояние.
  • Химическая перекачка: для производства энергии используется экзотермическая химическая реакция.

Лазерная Процесс, который приводит к испусканию стимулированных фотонов из-за перехода атомов из метастабильного состояния в основное состояние после достижения инверсии населенности.

По статистике Максвелла Больцмана:
количество атомов, находящихся в определенном энергетическом состоянии в любое время:
N 2 = N 1 e -ΔE / kT Где ΔE = E 2 - E 1 = hυ
N 2 & N 1 => количество атомов, находящихся в возбужденном и основном состоянии состояние соответственно
тыс. & T => Постоянная и абсолютная температура Больцмана

Теория лазера Эйнштейна и соотношение между коэффициентами A и B Пусть N1 и N2 - количество атомов, присутствующих в основном состоянии E1 и возбужденном состоянии E2 соответственно активной среды.

Энергия требуется, чтобы поднять атом с E 1 до E 2 = hυ, где υ - частота излучения

Но оцените поглощения пропорциональна N 1 и плотности энергии u (υ) падающего света. Таким образом количество абсорбций на единицу объема в единицу времени => T ab = B 12 N 1 и (υ) Где, B 12 = Эйнштейновская коэффициент поглощения излучения от более низкого энергетического состояния к более высокому штат.

Атомы в возбужденном состоянии возвращаются в основное состояние путем выделения энергии двумя способами:

  • Спонтанное излучение
  • Вынужденное излучение

Поскольку спонтанное излучение зависит только от количества атомов в единице объема, находящихся в возбужденном состоянии (N 2 ) Т зр = A 21 N 2 где A 21 = Коэффициент спонтанного излучения Эйнштейна

N 2 будет релаксировать в метастабильном состоянии, когда возникает вынужденное излучение.Поскольку вынужденное излучение прямо пропорционально количеству атомов, присутствующих в возбужденном состоянии в единице объема (N 2 ) и плотности энергии [u (υ)] падающего излучения: Т ул = B 21 N 2 u (υ), где B 21 = Эйнштейновская коэффициент стимулированного излучения

когда достигается тепловое равновесие, скорость передачи вверх = скорость нисходящей трансмиссия,
T ab = T sp + T st
B 12 N 1 u (υ) = A 21 N 2 + B 21 N 2 u (υ)
(B 12 N 1 - B 21 N 2 ) u (υ) = A 21 N 2
u (υ) = N 2 A 21 / N 2 (B 12 N 1 / N 2 - B 21 ) = A 21 / (N 1 / N 2 В 12 - В 21 )

1 и N 2 связаны законом Больцмана как: N 2 / N 1 = e - (E2-E1) / kT = e - hv / kT

Таким образом вставляя значение, получаем
u (υ) = A 21 / B 12 (1 / (e hv / kT - B 21 / B 12 ))
Но согласно по закону излучения Планка,
u (υ) = 8πhυ 3 / c 3 .1 / (e hv / kT - 1)
Таким образом сравнивая уравнения, получаем:

В 21 / B 12 = 1 или, B 21 = B 12
И А 21 / B 12 = 8πhυ 3 / c 3
Таким образом, A 21 / B 21 = 8πhυ 3 / c 3

Физическое значение:

  • вероятность стимулированного излучения численно равна вероятности стимулированное всасывание.Итак, стимулированное излучение - это обратный процесс абсорбция. Их скорости различаются, поскольку вынужденная эмиссия пропорционально количеству атомов, находящихся в возбужденном состоянии при стимуляции поглощение пропорционально количеству атомов, находящихся в основном состоянии.
  • коэффициент стимулированного излучения (B 21 ) обратно пропорционален пропорционально третьей степени частоты излучения.
  • отношение скорости стимулированного излучения к скорости спонтанного излучения R = B 21 N 2 u (υ) / A 21 N 2 = 1 / (e hv / kT - 1)
  • вероятность стимулированного излучения больше по сравнению со спонтанным излучение в микроволновом диапазоне
  • вероятность вынужденного излучения ничтожно мала по сравнению со спонтанным излучение в видимой области

Условие для большей вероятности стимулированного излучения по сравнению с одновременным излучением

Из соотношения Эйнштейна: A 21 / B 21 = 8πhυ 3 / с 3

Из закона излучения Планка: u (υ) = 8πhυ 3 / c 3 .1 / (e hv / kT - 1)

Таким образом, A 21 / B 21 u (υ) = e hv / kT - 1 = R

  1. В микроволновке области, hυ << kT, количество вынужденного излучения будет больше по сравнению с одновременным излучением
  2. В видимой области спектра спонтанное излучение будет преобладающим, а вынужденное излучение незначительным.

Условие большей вероятности стимулированного излучения по сравнению с процессом поглощения излучения

Отношение вынужденного перехода к переходу поглощения из соотношения Эйнштейна:
R ' = B 21 u (υ) N 2 / B 12 u (υ) N 1
R ' = N 2 / N 1

Число атомов в единице объема в основном состоянии очень велико по сравнению с числом атомов в единице объема в возбужденном состоянии, т.е.е. № 1 > № 2

Чтобы стимулированный переход превышал абсорбционные переходы:

  1. Должна быть достигнута инверсия состояния. По этой причине материал для генерации легирован определенными примесями, так что получается метастабильный атомный энергетический уровень.
  2. Большее значение отношения стимулированных переходов к спонтанным должно быть достигнуто, если рассматривать метастабильное энергетическое состояние как более высокий уровень энергии.

Оптический резонатор

Большое количество возбужденных атомов, образовавшихся из-за инверсии населенностей и накачки, спонтанно испускает фотоны в различных направлениях. Эти фотоны, в свою очередь, поражают атомы в метастабильном состоянии и вызывают стимулированное излучение. Фотоны, произведенные из-за вынужденного излучения, также распространяются в разных направлениях. Поскольку эти фотоны не могут давать когерентный луч, количество состояний фотона должно быть ограничено для получения когерентного луча лазера.

Этого можно добиться, поместив активную среду между идеально отражающим плоским сферическим зеркалом и полупрозрачным зеркалом (отражение 90%).Зеркальная система отражает большую часть энергии падающего на нее света обратно в среду, таким образом действуя как положительная обратная связь, необходимая для компенсации потерь. Небольшое количество энергии выходит через полупрозрачное зеркало, образуя лазер. Если в активной среде происходит достаточная инверсия населенности, свет в значительной степени усиливается, поскольку каждое прохождение света через среду после последовательного отражения вызывает увеличение силы и возникают множественные отражения. Постоянный интенсивный лазерный луч выходит из полупрозрачной среды.

Разница частот между двумя последовательными модами вибрации

Волны распространяются в обоих направлениях из-за последовательных отражений от двух зеркал. Они мешают формировать картину стоячей волны.
л => расстояние между двумя зеркалами
λ => длина волны выходящего света
φ => изменение фазы после отражения от обоих зеркал

Изменение в фаза после одного пути туда и обратно: ρ = 2π / λ.2L + 2φ

За конструктивная интерференция, изменение фазы должно быть целым кратным 2π для стоячих волн составляет
2π / λ.2L + 2φ = 2mπ
или, ν = c / λ = mc / 2L - φc / 2πL

Стоячие волны образуются внутри двух зеркал, что дает нам два узла. Поскольку длина волны лазерного излучения намного меньше длины резонатора, количество полуволн, образующихся внутри зеркала, также очень велико. Итак, разница частот между двумя последовательными модами вибрации:
Δν = c / 2L

Типы лазеров

Четыре типа:

  1. твердотельный лазер
  2. лазеры газовые
  3. лазеры на жидких красителях
  4. лазеры полупроводниковые

Рубиновый лазер

Твердотельный лазер, состоящий из розового рубинового цилиндрического стержня, концы которого оптически плоские и параллельны посеребренному и частично посеребренному (50%) концам.Стержень окружен спиральной лампой-вспышкой высокой интенсивности, заполненной газом ксеноном, достаточно сильным, чтобы вызвать инверсию населенностей. Состав Рубина: Кристаллический оксид алюминия (Al 2 O 3 или основной кристалл), легированный 0,05% атомов хрома (атомы активатора). Ионы Al 3+ заменены на Cr 3+ ионы в кристаллической решетке. Ионы Cr 3+ придают красный цвет белому Al 2 O 3 кристалл.

За работой: Хром атомы состоят из метастабильного состояния со временем жизни ~ 3 X 10 -3 сек.когда вспышка света с длиной волны 550 нм падает на стержень на очень короткое время (около миллисекунды) ион хрома в основном состоянии поглощает фотон и переходит в возбужденное состояние E 2 . Возбужденные ионы падают на метастабильное состояние E 3 очень скоро время жизни ионов в возбужденном состоянии короткий. Переход не является излучательным, так как выделяемая энергия поглощается решетка, в которой он поглощается и рассеивается в виде тепла. Но число атомов в метастабильном состоянии продолжает увеличиваться по мере того, как время жизни в метастабильном состоянии высокий и вскоре превосходит таковые в основном состоянии, что приводит к инверсия населения.

После это состояние достигается, один или два фотона высвобождаются из-за спонтанного излучения достаточно, чтобы вызвать стимулированное излучение, и начнется усиление света. Переход из состояния M a G излучает фотоны, которые после многократного отражения от зеркал лазерного резонатора усиливается в основном до интенсивного луча.

An интенсивный, направленный, когерентный луч красного света (λ = 694,3 нм) выходит из частично посеребренного конца рубинового стержня в виде лазерного луча.

Гелий-неоновый газовый лазер

Это газовый лазер, состоящий из смеси гелия (He) и неона (Ne) в соотношении примерно 10: 1 внутри узкой длинной газоразрядной трубки под давлением 1 мм рт.Газовая система помещается между парой плоских зеркал или парой выпуклых зеркал, одно из которых идеально отражает, а другое частично отражает, образуя резонирующую систему. Расстояние между двумя зеркалами равно целому кратному половине длины волны лазерного света и поддерживает структуру стоячей волны в системе резонатора.

За работой: Гелий имеет три энергетических состояния. Это 3S, 2S и 1S, где 3S и 2S являются метастабильными состояниями. Когда электрический разряд проходит через газовую смесь, атомы гелия возбуждаются ударами ускоренных электронов в разрядной трубке из-за ее меньшей массы.В результате некоторые атомы гелия переводятся в метастабильные состояния 2S и 3S из основного состояния. Энергии двух возбужденных состояний 2S и 3S Ne немного меньше энергии двух метастабильных состояний атомов He. Таким образом, после столкновения возбужденных атомов гелия с атомами неона атомы неона в основном состоянии переводятся в возбужденные состояния 3S и 2S, а гелий возвращается в свое основное состояние путем обмена энергией.

Газ процесс разряда через некоторое время приводит к инверсии заселенностей в этих метастабильных Уровни Ne (3S) и Ne (2S) относительно его нижних 3P и 2P состояний.После достигая инверсии населенности, один из двух фотонов высвобождается из-за спонтанное излучение может вызвать стимулированное излучение и произвести три типа лазерные воздействия (3S a 3P, 3S a 2P, 2S a 2П). После этого атомы Ne возвращаются на нижние лазерные уровни 3P и 2P на нижние лазерные уровни. уровень 1S спонтанным излучением. С этого уровня Ne возвращается в основное состояние при столкновении со стенками трубки. Цикл событий происходит непрерывно так как разряд в трубке поддерживается непрерывно. Таким образом, он известен как непрерывный лазер.

Использование He-Ne лазера

  1. в интерферометрии
  2. в лазерной печати
  3. при считывании штрих-кода
  4. в голографии
  5. для измерения больших расстояний, например, в телеметрии с модуляцией лазера
  6. в устройстве прицеливания, используемом в орудиях

Преимущества газового лазера перед твердотельным лазером

  • Свет от газового гелий-неонового лазера имеет более высокую степень монохромности и направленности, чем свет твердотельного рубинового лазера.Это происходит из-за несовершенства кристалла, теплового искажения и рассеяния.
  • Твердотельный лазер требует охлаждения во время работы, тогда как газовые лазеры могут работать непрерывно без какого-либо охлаждения.

Вернуться к заметкам

RP Photonics Encyclopedia - лазеры, принцип действия, резонатор, резонатор, лазерный луч, вынужденное излучение

Энциклопедия> буква L> лазеры

можно найти в Руководстве покупателя RP Photonics. Среди них:

Найдите более подробную информацию о поставщиках в конце этой статьи энциклопедии или посетите наш

Вас еще нет в списке? Получите свою заявку!

Обратитесь к RP Photonics за советом по любому аспекту лазеров.Вы также можете воспользоваться курсами обучения внутри компании, адаптированными к вашим потребностям.

Определение: устройства, генерирующие видимый или невидимый свет на основе вынужденного излучения света

Более общий термин: источники света

Более конкретные термины: твердотельные лазеры, диодные лазеры, газовые лазеры, эксимерные лазеры, сбалансированные по излучению лазеры, криогенные лазеры, лазеры видимого диапазона, безопасные для глаз лазеры, инфракрасные лазеры, ультрафиолетовые лазеры, рентгеновские лазеры, объемные лазеры, волоконные лазеры, лазеры на красителях, лазеры с повышающим преобразованием, лазеры на свободных электронах, рамановские лазеры, мощные лазеры, узкополосные лазеры, перестраиваемые лазеры, импульсные лазеры, сверхбыстрые лазеры, промышленные лазеры, научные лазеры, юстирующие лазеры, медицинские лазеры

Немецкий: Laser

Категория: лазеры

Как цитировать статью; предложить дополнительную литературу

Автор: Dr.Rüdiger Paschotta

«Лазер» (редко пишется как l.a.s.e.r.) - это аббревиатура от «Усиление света за счет вынужденного излучения излучения», введенная в 1957 году пионером в области лазерной техники Гордоном Гулдом. Хотя это первоначальное значение обозначает принцип действия (использование стимулированного излучения возбужденных атомов или ионов), в настоящее время этот термин в основном используется для устройств , генерирующих свет на основе лазерного принципа. Более конкретно, обычно подразумевают лазерные генераторы , но иногда также включают устройства с лазерными усилителями, также называемые усилителями мощности задающего генератора (MOPA).

Первым лазерным устройством был импульсный рубиновый лазер, продемонстрированный Теодором Мейманом в 1960 году [2, 3]. В том же году были изготовлены первый газовый лазер (гелий-неоновый лазер [5]) и первый лазерный диод. Перед этой экспериментальной работой Артур Шавлов, Чарльз Хард Таунс, Николай Басов и Александр Прохоров опубликовали новаторские теоретические работы о принципах работы лазеров, а в 1953 году группой Таунса были разработаны микроволновый усилитель и генератор (мазер). Термин «оптический мазер» (MASER = микроволновое усиление путем вынужденного усиления излучения) использовался изначально, но позже был заменен на «лазер».

Лазерные технологии лежат в основе более широкой области фотоники, главным образом потому, что лазерный свет имеет ряд очень особых свойств:

  • Обычно он излучается в виде хорошо направленного лазерного луча, который может распространяться на большие расстояния без большого расхождения и может быть сфокусирован в очень маленькие точки, где достигается высокая интенсивность.
  • Он может иметь очень узкую оптическую полосу пропускания, тогда как, например, большинство ламп излучают свет с очень широким оптическим спектром.
  • Он может излучаться непрерывно или, альтернативно, в форме коротких или ультракоротких импульсов длительностью от микросекунд до нескольких фемтосекунд.Временная концентрация энергии - в дополнение к возможности сильного пространственного ограничения в фокусе луча - позволяет генерировать даже гораздо более высокие интенсивности.

Эти свойства, которые делают лазерный свет очень интересным для ряда приложений, в значительной степени являются следствием очень высокой степени пространственной и / или временной когерентности лазерного излучения. Статьи о лазерном свете и лазерных приложениях дают более подробную информацию.

В лазерной технологии используется широкий спектр оптических компонентов, таких как лазерные кристаллы, лазерные зеркала, поляризаторы, изоляторы Фарадея и перестраиваемые оптические фильтры; см. статью о лазерной оптике.

Как работает лазер

Основной принцип

Лазерный генератор обычно содержит оптический резонатор (лазерный резонатор, лазерный резонатор), в котором может циркулировать свет (например, между двумя зеркалами), и внутри этого резонатора усиливающую среду (например, лазерный кристалл), которая служит для усиления света. Без усиливающей среды циркулирующий свет становился все слабее и слабее при каждом обходе резонатора, поскольку он испытывает некоторые потери, например при отражении в зеркалах.Однако усиливающая среда может усиливать циркулирующий свет, тем самым компенсируя потери, если усиление достаточно велико. Усиливающая среда требует некоторого внешнего источника энергии - ее нужно «накачивать», например путем инжекции света ( оптическая накачка ) или электрического тока ( электрическая накачка полупроводниковые лазеры ). Принцип лазерного усиления - вынужденное излучение.

Рисунок 1: Настройка простого лазера с оптической накачкой. Резонатор лазера состоит из изогнутого зеркала с высокой степенью отражения и плоского частично пропускающего зеркала, выходного ответвителя, который извлекает часть циркулирующего лазерного света в качестве полезного выхода.Усиливающей средой является лазерный кристалл с боковой накачкой, например со светом от лампы-вспышки.

Лазер не может работать, если коэффициент усиления меньше потерь в резонаторе; тогда устройство находится ниже так называемого лазерного порога и излучает лишь небольшое количество люминесцентного света. Существенная выходная мощность достигается только при мощностях накачки выше лазерного порога, когда усиление может достигать уровня потерь резонатора.

Если усиление больше, чем потери, мощность света в лазерном резонаторе возрастает очень быстро, начиная с e.г. с низким уровнем света от флуоресценции. Обратите внимание, что время обхода резонатора обычно очень мало (например, несколько наносекунд, иногда даже намного меньше), так что даже небольшое чистое усиление за оба конца подразумевает быстрый экспоненциальный рост мощности внутри резонатора. Поскольку высокая мощность лазера приводит к насыщению усиления, мощность лазера в установившемся режиме достигает уровня, при котором насыщенное усиление просто равно потерям в резонаторе (→ ограничение усиления ). Перед достижением этого стационарного состояния лазер обычно испытывает релаксационные колебания.Пороговая мощность накачки - это мощность накачки, при которой усиления слабого сигнала как раз достаточно для генерации.

Некоторая часть световой мощности, циркулирующей в резонаторе, обычно передается частично прозрачным зеркалом, так называемым выходным зеркалом ответвителя. Результирующий луч составляет полезную мощность лазера. Передачу выходного зеркала ответвителя можно оптимизировать для достижения максимальной выходной мощности (см. Также: дифференциальная эффективность).

Когерентность лазерного излучения

Почему у лазерного света такая высокая степень когерентности?

Может быть достигнута высокая степень пространственной когерентности лазерного излучения, в основном потому, что излучение света запускается (стимулируется) внутрирезонаторным излучением (т.е.е., свет циркулирует в резонаторе лазера), а не возникает самопроизвольно. В процессе стимулированного излучения активные ионы с лазерной активацией заставляют излучать свет в направлении уже существующего света, а также с той же оптической фазой. Результирующие амплитуда и фазовый профиль лазерного луча в значительной степени определяются свойствами лазерного резонатора, а не усиливающей средой лазера.

Временная согласованность - это другая проблема, и она имеет совершенно другое происхождение.Некоторые усиливающие среды для лазеров могут излучать свет только в узком спектральном диапазоне. Даже если это не так, лазер часто излучает свет только с точно определенной длиной волны или частотой, потому что условия таковы, что чистый нулевой коэффициент двустороннего усиления возможен только для этой длины волны. Лазер может быть настроен на точную желаемую длину волны, например с помощью настраиваемого внутрирезонаторного полосового фильтра, такого как фильтр Лио. Опять же, решающее значение имеет механизм стимулированного излучения: активные ионы с лазерным излучением могут излучать точно с оптической частотой уже существующего света.Чем меньше ширина линии излучения (т.е. чем уже оптический спектр излучаемого света), тем выше степень временной когерентности.

Интересно, что даже ультракороткие импульсы могут демонстрировать очень высокую степень временной когерентности, в этом случае включающую когерентность между последующими импульсами в регулярной последовательности импульсов. Это связано с формированием частотной гребенки как оптического спектра.

Генерация световых импульсов

Некоторые лазеры работают в непрерывном режиме, тогда как другие генерируют импульсы, которые могут быть особенно интенсивными.Существуют различные методы генерации импульсов с помощью лазеров, позволяющие генерировать импульсы длительностью микросекунды, наносекунды, пикосекунды или даже несколько фемтосекунд (→ ультракоротких импульсов от лазеров с синхронизацией мод ). Часто лазерная среда может накапливать некоторое количество энергии за некоторое время «накачки», чтобы затем высвободить ее за гораздо более короткое время.

Оптическая полоса пропускания (или ширина линии) непрерывно работающего лазера может быть очень маленькой, когда может генерироваться только одна мода резонатора (→ одночастотный режим ).В других случаях, особенно для лазеров с синхронизацией мод, полоса пропускания может быть очень большой - в крайних случаях она может охватывать около полной октавы. Центральная частота лазерного излучения обычно близка к частоте максимального усиления, но если потери в резонаторе становятся частотно-зависимыми, длину волны лазера можно настраивать в пределах диапазона, в котором доступно достаточное усиление. Некоторые широкополосные усиливающие среды, такие как Ti: сапфир и Cr: ZnSe, позволяют настраивать длину волны на сотни нанометров.

Лазерный шум

Из-за различных влияний выходной сигнал лазера всегда содержит некоторый шум в таких свойствах, как выходная мощность или фаза.Для импульсных лазеров могут быть задействованы дополнительные параметры, например, временное дрожание. Подробнее читайте в статье о лазерном шуме.

Типы лазеров

Лазерные технологии - это довольно разнообразная область, в которой используется широкий спектр самых разных средств усиления лазера, оптических элементов и методов. Распространенные типы лазеров:

  • Полупроводниковые лазеры (в основном лазерные диоды) с электрической (или иногда оптической) накачкой, эффективно генерирующие очень высокую выходную мощность (но обычно с плохим качеством луча) или малую мощность с хорошими пространственными характеристиками (например.г. для применения в проигрывателях компакт-дисков и DVD) или импульсами (например, для телекоммуникационных приложений) с очень высокой частотой повторения импульсов. К особым типам относятся квантовые каскадные лазеры (для среднего инфракрасного диапазона) и полупроводниковые лазеры с поверхностным излучением (VCSEL и VECSEL), последние также подходят для генерации импульсов с высокой мощностью.
  • Твердотельные лазеры на основе ионно-легированных кристаллов или стекол ( лазеры на диэлектрике ) с накачкой газоразрядными лампами или лазерными диодами, генерирующими высокую выходную мощность или более низкую мощность с очень высоким качеством луча, спектральной чистотой и / или стабильность (e.г. для целей измерения) или ультракоротких импульсов пикосекундной или фемтосекундной длительности. Обычными средами усиления являются Nd: YAG, Nd: YVO 4 , Nd: YLF, Nd: стекло, Yb: YAG, Yb: стекло, Ti: сапфир, Cr: YAG и Cr: LiSAF. К особым типам лазеров на ионном легированном стекле относятся:
  • Волоконные лазеры на основе оптических стеклянных волокон, легированных некоторыми лазерно-активными ионами в сердцевине волокна. Волоконные лазеры могут достигать чрезвычайно высоких выходных мощностей (до киловатт) с высоким качеством луча, допускать широкую перестройку длины волны, работу с узкой шириной линии и т. Д.
  • Газовые лазеры (например, гелий-неоновые лазеры, CO 2 лазеры и лазеры на ионах аргона) и эксимерные лазеры на газах, которые обычно возбуждаются электрическими разрядами. Часто используемые газы включают CO 2 , аргон, криптон и смеси газов, такие как гелий-неон. Обычными эксимерами являются ArF, KrF, XeF и F 2 . Поскольку в лазерном процессе участвуют молекулы газа, такие лазеры еще называют молекулярными лазерами.

Менее распространены лазеры с химической и ядерной накачкой, лазеры на свободных электронах и рентгеновские лазеры.

Лазерные источники в более широком смысле

Есть некоторые источники света, которые не являются строго лазерами, но, тем не менее, их часто называют лазерными источниками :

  • В некоторых случаях этот термин используется для усилительных устройств, излучающих свет без входа (за исключением затравочных усилителей). Примером являются рентгеновские лазеры, которые обычно представляют собой суперлюминесцентные источники , основанные на спонтанном излучении с последующим однопроходным усилением. Тогда нет лазерного резонатора.Аналогичная ситуация имеет место для оптических параметрических генераторов, где усиление, однако, не основано на стимулированном излучении; это параметрическое усиление, основанное на оптических нелинейностях. Свет от таких устройств может иметь свойства лазера, такие как строго направленное излучение, высокую пространственную и временную когерентность и узкую оптическую полосу пропускания.
  • В других случаях термин лазерные источники оправдан тем фактом, что источник содержит лазер, среди других компонентов.Это относится к комбинациям лазеров и усилителей (→ усилитель мощности задающего генератора ), а также к источникам, основанным на нелинейном преобразовании частоты лазерного излучения, например с удвоителями частоты или оптическими параметрическими генераторами.

Аспекты безопасности

Работа с лазерами может вызвать серьезные проблемы с безопасностью. Некоторые из них напрямую связаны с лазерным светом, в частности с достижимой высокой оптической интенсивностью, но есть и другие опасности, связанные с лазерными источниками.Подробнее см. Статью о лазерной безопасности.

Лазерные приложения

Существует чрезвычайно широкий спектр приложений для самых разных лазерных устройств. Они в значительной степени основаны на различных особых свойствах лазерного света, многие из которых не могут быть достигнуты с помощью каких-либо других источников света. См. Обзор в статье о лазерных приложениях.

С другой стороны, многие потенциальные применения лазеров пока не могут быть реализованы на практике, потому что лазеры относительно дороги в производстве - или, точнее, потому, что они пока в основном производятся относительно дорогими методами.Большинство лазеров производятся в относительно небольших объемах и с ограниченной степенью автоматизации. Другой аспект заключается в том, что лазеры относительно чувствительны в различных отношениях, например, в отношении точной юстировки оптических компонентов, механических колебаний и частиц пыли. Поэтому продолжаются исследования и разработки для поиска более экономичных и надежных решений.

Для успеха бизнеса часто бывает важно не только разрабатывать лазеры с высокими характеристиками и низкой стоимостью, но также определять наиболее подходящие приложения или разрабатывать лазеры, которые лучше всего подходят для конкретных приложений.Кроме того, очень важно знать детали приложения. Например, при лазерной обработке материалов жизненно важно знать точные требования в отношении длины волны лазера, качества луча, энергии импульса, длительности импульса и т. Д. Для получения оптимальных результатов обработки.

Поставщики

Руководство покупателя RP Photonics содержит информацию о 260 поставщиках лазеров. Среди них:

Laser Quantum

Laser Quantum - производитель высококачественных твердотельных и сверхбыстрых лазеров с диодной накачкой мирового класса.

Lumibird

Lumibird производит широкий спектр лазеров благодаря своему опыту в трех ключевых технологиях: импульсных твердотельных лазерах (наносекундный диапазон), непрерывных и импульсных волоконных лазерах и волоконных усилителях, а также лазерных диодах. Рассматриваются различные области применения в промышленности (производство, лидарные датчики), науке (лаборатории и университеты), медицине (офтальмология) и обороне.

FYLA LASER

В FYLA мы разрабатываем импульсные волоконные лазеры с длительностью импульса в диапазоне наносекунды, пикосекунды и фемтосекунды.Наши лазеры используются во многих приложениях, от микроскопии (двухфотонная микроскопия, SHG, SPIM, OCT) до определения характеристик полупроводников, обеспечивая более высокий уровень надежности, более длительный срок службы и экономичное решение.

OEwaves

Лазер HI-Q ™ снабжен патентованным драйвером / контроллером и источником лазера OEwaves, который основан на микрорезонаторе с высоким коэффициентом качества (Q) в режиме шепчущей галереи (WGM). Лазер масштабируется до множества длин волн в диапазоне 370–4500 нм.

Уникальная технология лазера OEwaves HI-Q ™ использует самоинжекцию при синхронизации подходящего серийно выпускаемого лазерного диода через резонансную оптическую обратную связь от высокодобротного микрорезонатора WGM. Его монолитно-интегрированный подход, а также микромасштабная масса и объем делают лазер практически нечувствительным к вибрациям окружающей среды.

EKSPLA

EKPLA предлагает широкий спектр фемтосекундных, пикосекундных и наносекундных лазеров, а также системы с настраиваемой длиной волны для исследовательских и промышленных приложений.

Edmund Optics

Edmund Optics предлагает широкий спектр лазерных источников, включая лазеры машинного зрения, лазеры для медико-биологических наук, метрологические лазеры, газовые лазеры, промышленные и точечные лазеры, а также лазеры для обработки материалов.

Alpes Lasers

Alpes Lasers предлагает широкий спектр лазеров с длинами волн от 4 до 14 мкм и мощностью до нескольких ватт. Сюда входят лазеры FP, DFB, THz, частотные гребенки и лазеры с внешним резонатором в среднем ИК диапазоне. Кроме того, Alpes предлагает уникально быстрые и широко настраиваемые лазеры с линейкой продуктов ET и XT.

TOPTICA Photonics

Продукция TOPTICA обеспечивает сверхширокий диапазон длин волн лазера: 190 нм - 0,1 ТГц (соответствует 3 мм). Они позволяют решать самые разные сложные задачи в квантовой оптике, спектроскопии, биофотонике, микроскопии, тестировании и измерениях, а также в контроле материалов. Уникальный диапазон длин волн основан на трех основных категориях продуктов:

- диодные лазеры, 190–3500 нм с методами преобразования частоты

- сверхбыстрые волоконные лазеры, 488–2300 нм, (3500 нм индивидуально) 5000–15000 нм

- терагерцовые системы, 0.1–6 ТГц (15 ТГц по индивидуальному заказу)

NKT Photonics

NKT Photonics предлагает широкий спектр лазеров, от импульсных диодных лазеров до сверхмалошумящих одночастотных волоконных лазеров и научных и промышленных сверхбыстрых лазеров до суперконтинуумных лазеров белого света. Независимо от того, что вам нужно, у нас есть система для вас!

Frankfurt Laser Company

Frankfurt Laser Company предлагает самый широкий на мировом рынке диапазон длин волн для лазерных диодов от 370 нм до 12 мкм, одномодовые и многомодовые, широкополосные, DFB и DBR, стабилизированные оптоволоконной решеткой Брэгга, квантовый каскад, VCSEL. , суперлюминесцентные диоды и светодиоды среднего ИК диапазона.Мы предлагаем выбор длины волны и индивидуальную упаковку; свяжитесь с нами, чтобы обсудить ваши требования.

Kapteyn-Murnane Laboratories

Ti: сапфир - это рабочая лошадка сверхбыстрых лазеров из-за его высокой ширины полосы усиления, обеспечивающей доставку самых коротких импульсов и масштабируемой до высокой энергии импульса и средней мощности. KMLabs предоставляет полный набор генераторов с синхронизацией мод и интегрированных систем генератор-усилитель, охватывающих энергию импульсов от диапазона нДж до 30 мДж в импульсах от 15 фс до 40 фс.

Лазеры RPMC

Лазеры RPMC предлагают самый широкий выбор твердотельных лазеров в Северной Америке, включая как импульсные, так и непрерывные источники с длиной волны от УФ до ИК. Импульсные лазеры включают в себя лазеры DPSS, лазеры с импульсными лампами, волоконные лазеры, микролазеры / лазеры на микрочипах и сверхбыстрые лазеры. Кроме того, лазерные модули CW, включая одномодовые и многомодовые DPSS-лазер и лазерные диодные модули, доступные как в конфигурации с оптоволоконной связью, так и в конфигурации свободного пространства, а также газовые и волоконные лазеры, линейные модули и многие типы лазерных диодов, включая суперлюминесцентные лазерные диоды, мульти длинноволновые лазеры и квантово-каскадные лазерные диоды с квантово-каскадными ямами.Приложения включают обработку материалов, лидары, микрообработку и многие другие.

Фотоника класса 5

Фотоника класса 5 предлагает мощные и высокопроизводительные фемтосекундные лазеры на основе оптического параметрического усиления чирпированных импульсов (OPCPA), подходящие для генерации высших гармоник (HHG):

- Средняя мощность от 5 Вт до 100 Вт для требовательных приложений

- длительность импульса от 100 фс до 9 фс

- накачка промышленными Yb: волоконными или Yb: YAG усилителями

- доступна стабильность CEP

- надстройки: расширение длины волны от EUV до MID-IR

Экстремальная мощность на экстремальных длинах волн с отмеченными наградами продуктами, обслуживающими сверхбыстрое сообщество, с длинами волн в диапазоне от сильного ультрафиолетового излучения (XUV) до высокопольного терагерца, что позволяет исследователям в области физики, химии и биологии проводить выдающиеся исследования в передовых областях .

Вопросы и комментарии пользователей

Здесь вы можете оставлять вопросы и комментарии. Если они будут приняты автором, они будут отображаться над этим абзацем вместе с ответом автора. Автор принимает решение о приеме на основании определенных критериев. По сути, вопрос должен представлять достаточно широкий интерес.

Пожалуйста, не вводите здесь личные данные; в противном случае мы бы скоро удалили его. (См. Также нашу декларацию о конфиденциальности.) Если вы хотите получить личный отзыв или консультацию от автора, свяжитесь с ним e.г. по электронной почте.

Отправляя информацию, вы даете согласие на потенциальную публикацию ваших материалов на нашем веб-сайте в соответствии с нашими правилами. (Если позже вы откажетесь от своего согласия, мы удалим эти данные.) Поскольку ваши материалы сначала рассматриваются автором, они могут быть опубликованы с некоторой задержкой.

Библиография

(2010), DOI: 10.1364 / AO.49.000F99
[1] А. Л. Шавлов и К. Х. Таунс, «Инфракрасные и оптические мазеры», Phys. Ред. 112 (6), 1940 (1958), DOI: 10.1103 / PhysRev.112.1940 (новаторская работа; также содержит знаменитое уравнение Шавлоу-Таунса)
[2] Т.Х. Майман, «Вынужденное оптическое излучение в рубине», Nature 187, 493 (1960), doi: 10.1038 / 187493a0 ( первая экспериментальная демонстрация лазера), doi: 10.1038 / 187493a0
[3] TH Майман, «Оптическое действие мазера в рубине», Br. Commun. Электрон. 7, 674 (1960)
[4] П. П. Сорокин и М. Дж. Стивенсон, «Вынужденное инфракрасное излучение трехвалентного урана», Phys.Rev. Lett. 5 (12), 557 (1960), doi: 10.1103 / PhysRevLett.5.557 (первый четырехуровневый лазер)
[5] A. Javan, WR Bennett Jr. и DR Herriott, «Население инверсии. и непрерывное оптическое мазерное колебание в газовом разряде, содержащем смесь He – Ne ”, Физ. Rev. Lett. 6 (3), 106 (1961), DOI: 10.1103 / PhysRevLett.6.106
[6] Г. Смит, «Первые годы работы с лазером в Hughes Aircraft Company», IEEE J. Quantum Electron. 20 (6), 577 (1984), DOI: 10.1109 / JQE.1984.1072445
[7] R. E. Slusher, «Laser technology», Rev. Mod. Phys. 71, S471 (1999), DOI: 10.1103 / RevModPhys.71.S471
[8] Дж. М. Гилл, «Лазеры: 40-летняя перспектива», IEEE J. Quantum Electron. 6 (6), 1111 (2000), DOI: 10.1109 / 2944.9
[9] «Яркая идея: первые лазеры», Американский институт физики (2010)
[10] J А. Хехт, “Краткая история развития лазеров”, Опт.Англ. 49, 0
[11] AE Siegman, Lasers , University Science Books, Mill Valley, CA (1986)
[12] O. Svelto, Principles of Lasers , Plenum Press, New York (1998)
[13] F. Träger (ed.), Handbook of Lasers and Optics , Springer, Berlin (2007)
[14] R. Paschotta, Field Guide to Lasers , SPIE Press, Bellingham, WA (2007)

(Предложите дополнительную литературу!)

См. Также: лазерный свет, лазерная оптика, лазерные приложения, лазерная физика, дизайн лазеров, лазерные резонаторы, лазерные кристаллы, усиливающие среды, лазеры с диодной накачкой, лазеры с ламповой накачкой, твердотельные лазеры, волоконные лазеры, волноводные лазеры, повышающее преобразование лазеры, полупроводниковые лазеры, газовые лазеры, молекулярные лазеры, рентгеновские лазеры, лазеры с синхронизацией мод, лазеры с модуляцией добротности, лазеры видимого диапазона, лазерный порог, дифференциальная эффективность, лазерный шум, ширина линии, когерентность, настройка длины волны, безопасность лазера, характеристики лазера , научные лазеры
и другие товары в категории лазеры


Если вам понравилась эта страница, поделитесь ссылкой со своими друзьями и коллегами, e.г. через соцсети:

Эти кнопки обмена реализованы с учетом конфиденциальности!

Код для ссылок на других сайтах

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

HTML-ссылка на эту статью:

   
Статья о лазерах

в
Энциклопедия фотоники RP

С изображением для предварительного просмотра (см. Рамку выше):

   
alt = "article">

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

  * [https://www.rp-photonics.com/lasers.html 
, статья «Лазеры» в энциклопедии RP Photonics]

Как работают фары BMW Laserlight, преимущества.

Как работают фары BMW Laserlight?

Фары

Laserlight не проецируют свет на дорогу напрямую, как можно подумать, судя по названию. Вместо этого корпус фары направляет три монохроматических синих лазерных луча через серию зеркал внутри фары. Затем свет направляется на линзу, заполненную желтым фосфором. Синий лазерный свет реагирует на линзу, заполненную желтым фосфором, и излучает чрезвычайно яркий белый свет, направленный из фары.На изображении ниже показан разрез этой установки, чтобы лучше понять, как работает эта технология.

Свет, излучаемый лазерным лучом через фосфорную линзу, до 10 раз ярче, чем свет, излучаемый светодиодными фарами. Компоненты для лазерной техники очень компактны, что позволяет уменьшить общий размер корпуса, что позволяет улучшить аэродинамику автомобиля.

Повышение видимости дороги с помощью лазерной технологии повышает безопасность водителя.Интегрированная система инфракрасной камеры работает вместе с системой Laserlight, обеспечивая следующие преимущества. Система камер может обнаруживать встречный транспорт и автоматически затемнять фары без помощи рук водителя. Если система камеры обнаруживает препятствия на дороге, такие как животное или препятствие, фары могут фокусировать луч прямо на объекте на расстоянии до 300 футов.

BMW понимает, что, поскольку технология Laserlight очень яркая, в городской среде он может отвлекать.Из-за этого технология Laserlight разрешена только на скоростях выше 37 миль в час.

Безопасно ли смотреть прямо в фары, излучающие лазерный свет?

Да. Однако небезопасно смотреть прямо в сфокусированный лазерный луч. Каждый может вспомнить красные лазерные указки, используемые в классах, этот сфокусированный лазерный луч может вызвать повреждение сетчатки. Синие лазеры внутри линз BMW Laserlight достаточно мощные, чтобы сжигать предметы. Этот концентрированный свет не виден, поскольку он закрыт корпусом.

Поскольку сфокусированный лазерный свет рассеивается через фосфорную линзу, опасная угроза полностью исчезает, делая безопасным взглядом. BMW зашла так далеко, что задумалась о фронтальных авариях, когда сфокусированные лазерные лучи могут выходить из сломанного корпуса фары и причинять вред окружающим. В случае аварии фары автоматически отключаются, чтобы предотвратить эту угрозу.

Как определить, какие модели оснащены технологией BMW Laserlight?

Фары

BMW Laserlight имеют тонкие синие полосы вдоль внутренней части корпуса фары (см. Рисунок ниже).Кроме того, некоторые модели, такие как X5, имеют синие полосы поперек линзы (см. Рисунок ниже).

Каковы преимущества технологии Laserlight?

  • Свет до 10 раз ярче, чем у традиционных ксеноновых или светодиодных фар.
  • Обеспечивает видимость на расстоянии около полумили от дороги.
  • Автоматическое затемнение встречного движения.
  • Использует GPS для прогнозирования поворотов и освещения дороги на поворотах.
  • Цвет проецируемого света почти такой же теплый, как дневной свет, поэтому он естественен для глаз, как если бы вы ведете машину днем.
  • Меньше утомляет водителя, снижает усталость и напряжение при почти дневном свете.

Какие недостатки у фар Laserlight?

  • Стоимость, лазерные фонари - это модернизация i8 в 2014 году за 11 000 долларов (9500 евро).
  • Работает только с дальним светом автомобилей, ближний свет оснащен светодиодными фарами.

На каких моделях устанавливаются фары BMW Laserlight?

По мере того, как технология BMW Laserlight становится усовершенствованной, в течение многих лет она будет распространяться на модели высшего класса и постепенно переходить к моделям начального уровня.Кроме того, по мере того, как правительственные постановления станут более твердыми, технологии станут более распространенными. В настоящее время евро-модель i8, новая 8-я серия и X5 2019 года оснащены технологией лазерного освещения BMW в качестве заводской опции.

Где я могу узнать больше интересных фактов о BMW?

Узнайте больше интересных фактов о BMW, нажав ЗДЕСЬ

Принцип работы лазерного диода

- Инструментальные средства

Лазерный диод или LD , также известный как инжекционный лазерный диод или ILD , представляет собой полупроводниковый лазер с электрической накачкой, в котором активная лазерная среда образована pn-переходом полупроводникового диода, аналогичного найденному в светодиоде.

Термин «лазер» означает усиление света за счет вынужденного излучения. Лазерный свет является монохроматическим, что означает, что он состоит из одного цвета, а не из смеси цветов. Лазерный свет также называется когерентным светом с одной длиной волны по сравнению с некогерентным светом, который состоит из широкой полосы длин волн. Лазерный диод обычно излучает когерентный свет, тогда как светодиод излучает некогерентный свет. Символы такие же, как на рисунке.

Рис. (A): Символ лазерного диода

Рис. Основы конструкции и работы лазерного диода.

Базовая конструкция лазерного диода показана на рисунке (b). Pn переход образован двумя слоями легированного арсенида галлия. Длина pn перехода находится в точном соотношении с длиной волны излучаемого света. На одном конце pn-перехода имеется сильно отражающая поверхность, а на другом конце - частично отражающая поверхность, образующая резонансную полость для фотонов. Внешние выводы обеспечивают соединения анода и катода.

Основная операция заключается в следующем.Лазерный диод имеет прямое смещение от внешнего источника напряжения. При движении электронов через переход происходит рекомбинация, как в обычном диоде. Когда электроны падают в дырки, чтобы рекомбинировать, высвобождаются фотоны. Освободившийся фотон может ударить по атому, вызвав высвобождение другого фотона. По мере увеличения прямого тока больше электронов попадает в область обеднения и вызывает испускание большего количества фотонов. В конце концов некоторые из фотонов, которые беспорядочно дрейфуют в области истощения, ударяются по отраженным поверхностям перпендикулярно.Эти отраженные фотоны движутся вдоль области обеднения, ударяя по атомам и высвобождая дополнительные фотоны из-за лавинного эффекта.

Это возвратно-поступательное движение фотонов увеличивается по мере генерации фотонов «снежных шаров» до тех пор, пока очень интенсивный луч лазерного света не формируется фотонами, которые проходят через частично отражающий конец pn перехода. Каждый фотон, произведенный в этом процессе, идентичен другим фотонам по уровню энергии, фазовому соотношению и частоте. Таким образом, лазерный диод излучает интенсивный свет с одной длиной волны, как показано на рисунке (c).Лазерные диоды имеют пороговый уровень тока, выше которого происходит лазерное воздействие, а ниже которого диод ведет себя по существу как светодиод, излучающий некогерентный свет.

Характеристики лазерного диода

Одной из важных характеристик лазерного диода является то, что порог. Предполагается, что действие генерации не произойдет, пока к материалу не приложена минимальная мощность. Это показано на следующем рисунке. Это графическое представление сравнивает выходную мощность с входным током.Несмотря на то, что лазерный диод излучает свет с энергией ниже пороговой, спонтанное излучение слабее, чем излучение лазерного света выше порогового значения.

На следующем графике показаны характеристики лазерного диода

.

Приложения

Лазерные диоды и фотодиоды используются в системе считывания компакт-дисков (CD). Аудиоинформация (звук) записывается в цифровом виде в стерео на поверхности компакт-диска в виде микроскопических «ямок» и «квартир».”Система линз фокусирует лазерный луч от диода на поверхность компакт-диска. При вращении компакт-диска линза и луч движутся по траектории под управлением серводвигателя. Лазерный свет, который изменяется ямками и плоскостями вдоль записанной дорожки, отражается обратно от дорожки через линзу и оптическую систему на инфракрасные фотодиоды. Затем сигнал с фотодиодов используется для воспроизведения звука, записанного в цифровом виде. Лазерные диоды также используются в лазерных принтерах и волоконно-оптических системах.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *