Најважније из лекције
Подела ласера: према активној средини (гасовити, полупроводнички), према пумпању (оптичко, електрично, хемијско) и према режиму рада (континуални, импулсни).
Примена: у индустрији за прецизно сечење без деформација, у медицини за операције ока уз каутеризацију (смањено крварење), у телекомуникацијама кроз оптичка влакна због изузетно мале атенуације, као и за прецизна даљиномерска мерења (\(d = \frac{c\Delta t}{2}\)).
Холографија: метода стварања тродимензионалних слика интерференцијом два кохерентна зрака – упоредног (директног) и носећег (рефлектованог од тела).
Примена: у индустрији за прецизно сечење без деформација, у медицини за операције ока уз каутеризацију (смањено крварење), у телекомуникацијама кроз оптичка влакна због изузетно мале атенуације, као и за прецизна даљиномерска мерења (\(d = \frac{c\Delta t}{2}\)).
Холографија: метода стварања тродимензионалних слика интерференцијом два кохерентна зрака – упоредног (директног) и носећег (рефлектованог од тела).
Ласери се према својим физичким карактеристикама и принципу рада деле на основу три главна критеријума:
| Критеријум поделе | Врсте ласера | Карактеристике и примери |
|---|---|---|
| Према агрегатном стању активне средине |
• Гасовити ласери • Полупроводнички ласери |
Гасовити користе $\text{CO}_2$, смешу $\text{He-Ne}$ или јоне аргона; најзаступљенији су и раде на различитим таласним дужинама. Полупроводнички користе електрично пражњење у диоди (ласерски показивачи, оптички уређаји попут CD/DVD читача). |
| Према начину пумпања |
• Оптичко пумпање • Електрично пумпање • Хемијски ласери |
Оптичко: користи светлост за стварање инверзне насељености. Електрично: користи електрично пражњење. Хемијско: енергију побуђивања добија из хемијских реакција. |
| Према режиму рада |
• Импулсни ласери • Континуални ласери |
Импулсни: емитују импулсе великих снага у кратким интервалима (реда наносекунде), уз огромну густину енергије. Континуални: емитују ласерско зрачење непрекидно. |
Који тип ласера према режиму рада захтева строже мере заштите при раду и зашто?
Импулсни ласери захтевају строже мере заштите јер одашиљу импулсе изузетно великих снага у врло кратким временским интервалима, због чега им је густина енергије екстремно велика.
Индустријска обрада материјала: Захваљујући изузетној усмерености снопа и способности преноса велике количине енергије у кратком времену, ласери се користе за прецизно сечење и обликовање метала, гуме, пластике и штампаних електронских плоча без механичке деформације материјала.
Медицинска примена: Мала ширина ласерског снопа омогућава изузетно прецизне микрохируршке резове без оштећења околног ткива.
Каутеризација је процес у којем се крвни судови (капилари) спајају услед топлоте ласерског снопа, чиме се крварење током операције своди на минимум и значајно убрзава опоравак пацијента.
Области примене у медицини:
- Офталмологија: операције катаракте, корекција облика очне јабучице ради бољег фокусирања, операције на мрежњачи.
- Дијагностика: ендоскопи (осветљавање и преглед унутрашњости органа), рано дијагностиковање канцера.
- Терапија и хирургија: разбијање камена у бубрегу, лечење обољења плућа и јетре.
Због чега је ласер погодан за хируршке захвате на мрежњачи ока у односу на класичне хируршке инструменте?
Мрежњачи је тешко прићи класичним инструментима без механичког оштећења осетљивог околног ткива ока. Ласерски сноп је изузетно узак и усмерен, пролази кроз оптичке структуре ока без њиховог оштећења и истовремено врши каутеризацију (спречава крварење).
Оптичке телекомуникације: Ласерски снопови се користе као носиоци информација кроз оптичка влакна (каблове). Појава слабљења сигнала (атенуација) много је мања код ласерског преноса кроз оптичка влакна него код преноса електричних сигнала бакарним проводницима.
Ласерски даљиномер: Уређај за прецизно мерење удаљености на основу мерења времена \(\Delta t\) потребног да ласерски импулс пређе пут до рефлектора (огледала) и назад брзином светлости \(c\).
\[ d = \frac{c \cdot \Delta t}{2} \]
\(d\) – удаљеност до објекта, \(c\) – брзина светлости у вакууму/ваздуху (\(\approx 3 \cdot 10^8\text{ m/s}\)), \(\Delta t\) – укупно време путовања импулса.
Научна и свакодневна примена:
- Мерење тачне удаљености Земља–Месец помоћу ласерских снопова и ретрорефлектора постављених на површини Месеца.
- Мерење загађености ваздуха на основу степена апсорпције ласерског зрака у атмосфери.
- Очитавање бар-кодова у трговини помоћу ласерских скенера.
- Извођење фундаменталних експеримената попут Мајклсон–Морлијевог огледа и проучавања Брауновог кретања.
Холографија је метода бележења и репродукције тродимензионалних слика (холограма) коришћењем кохерентног ласерског зрачења и феномена интерференције светлосних таласа.
Ласерски сноп се дели на два дела:
- Упоредни (референтни) зрак: пада директно на фотоплочу без проласка кроз објекат.
- Носећи (предметни) зрак: обасјава предмет, одбија се од његове површине и долази до фотоплоче noseћи информације о његовом облику и рељефу.
Упоредни и носећи талас интерферирају на фотоплочи. На њој настаје интерференциона слика (систем светлих и тамних пруга/прстенова) која представља запис фазних разлика и амплитуда оба таласа.
Након хемијске обраде (развијања и фиксирања фотоплоче), осветљавањем таквог негатива добија се реконструисана тродимензионална слика снимљеног предмета.
Која особина ласерске светлости је кључна за настанак холограма?
Кључна особина је висока кохерентност ласерског зрачења, која омогућава стварање стабилне интерференционе слике између упоредног и носећег зрака на фотоплочи.
Задаци за вежбање
Задатак 1 (Лаки ниво): Навести шта је каутеризација и због чега је значајна у хируршким операцијама ласером.
Решење:
Каутеризација је процес у којем се под утицајем високе температуре ласерског снопа мали крвни судови (капилари) истовремено секу и затварају (спајају). Значајна је зато што спречава крварење током операције, омогућава чистије хируршко поље и знатно скраћује време опоравка пацијента.
Каутеризација је процес у којем се под утицајем високе температуре ласерског снопа мали крвни судови (капилари) истовремено секу и затварају (спајају). Значајна је зато што спречава крварење током операције, омогућава чистије хируршко поље и знатно скраћује време опоравка пацијента.
Задатак 2 (Средњи ниво): Ласерски импулс одаслат са Земље рефлектовао се од огледала које су астронаути оставили на Месецу и вратио се до пријемника на Земљи након \(\Delta t = 2{,}56\text{ s}\). Израчунати растојање \(d\) између Земље и Месеца у том тренутку (\(c = 3 \cdot 10^8\text{ m/s}\)).
Решење:
Ласерски сноп прелази двоструко растојање (\(2d\)) за време \(\Delta t\): \[ 2d = c \cdot \Delta t \implies d = \frac{c \cdot \Delta t}{2} \] Уврштавањем вредности: \[ d = \frac{3 \cdot 10^8\text{ m/s} \cdot 2{,}56\text{ s}}{2} = 3 \cdot 10^8 \cdot 1{,}28\text{ m} = 3{,}84 \cdot 10^8\text{ m} = 384\,000\text{ km} \] Растојање до Месеца износи \(384\,000\text{ km}\).
Ласерски сноп прелази двоструко растојање (\(2d\)) за време \(\Delta t\): \[ 2d = c \cdot \Delta t \implies d = \frac{c \cdot \Delta t}{2} \] Уврштавањем вредности: \[ d = \frac{3 \cdot 10^8\text{ m/s} \cdot 2{,}56\text{ s}}{2} = 3 \cdot 10^8 \cdot 1{,}28\text{ m} = 3{,}84 \cdot 10^8\text{ m} = 384\,000\text{ km} \] Растојање до Месеца износи \(384\,000\text{ km}\).
Задатак 3 (Тешки ниво): Опишите разлику између упоредног и носећег зрака у процесу холографије. Шта би се десило са сликом на фотоплочи уколико би се уместо кохерентног ласера користио класичан извор беле светлости?
Решење:
1. Упоредни зрак долази директно од извора до фотоплоче и служи као референца, док се носећи зрак прво одбија од предмета који се снима (носећи просторну информацију о њему) па тек онда пада на фотоплочу.
2. Бела светлост је некохерентна и полихроматска (састоји се од различитих таласних дужина које нису у константној фазној вези). Услед тога не би дошло до стварања стабилне интерференционе слике на фотоплочи, већ би плоча била равномерно осветљена без бележења фазне структуре, те формирање 3D холограма не би било могуће.
1. Упоредни зрак долази директно од извора до фотоплоче и служи као референца, док се носећи зрак прво одбија од предмета који се снима (носећи просторну информацију о њему) па тек онда пада на фотоплочу.
2. Бела светлост је некохерентна и полихроматска (састоји се од различитих таласних дужина које нису у константној фазној вези). Услед тога не би дошло до стварања стабилне интерференционе слике на фотоплочи, већ би плоча била равномерно осветљена без бележења фазне структуре, те формирање 3D холограма не би било могуће.
