Применение лазера – Что такое лазер? И зачем он нужен? 

Применение лазеров

Слово «лазер» так прочно вошло в нашу жизнь, что об этих устройствах, пожалуй, знает каждый взрослый житель планеты. Применение лазеров стало привычным и почти бытовым.  Он используется во многих сферах деятельности человека.

Американские ученые-физики, работающие в известной лаборатории им. Лоренца, утверждают, что им удалось воспроизвести небывалый по величине луч. Мощность лазера составляет 500 триллионов ватт и 1,85 Мега джоулей ультрафиолетового излучения. Изобретенный луч имеет величину всего 2 мм в диаметре, но мощность его больше, чем та, которой обладают все энергопотребляющие устройства в Америке, работающие одновременно. Температура лазера составляет 100 миллионов градусов, а это больше, чем в центре основного источника энергии – Солнца.

Что же такое лазер? Это источник электромагнитного излучения, который основан на вынужденном излучении молекул и атомов. Он включает в себя видимый, инфракрасный и ультрафиолетовый диапазоны, характеризуется очень высокой направленностью излучения, что является его уникальной способностью.

Применение лазеров разнообразно. Его используют в таких сферах жизнедеятельности человека, как медицина, биология, военная индустрия, локация и связь, хранение информации, измерение космических расстояний, проекционное телевидение, высокие технологии и многое другое. Ученые на сегодняшний день обладают благодаря лазеру монохроматическим светом любой длины волны. Это может быть непрерывное излучение с узким спектром или ультракороткий импульс.

Известны следующие виды лазеров:

— газовые;

— твердотельные;

— жидкостные.

В переменном импульсном режиме функционирует рубиновый лазер, а вот в газовом основное рабочее вещество, конечно, газ. Его атомы получают импульс от электрического разряда.

Есть полупроводниковые лазеры, которые относятся к устройствам непрерывного действия. Энергия излучения берется в них от электрического тока. Также существуют газоди­намические лазеры. Они очень мощные, имеют одноименную основу, характеризуются непрерывным действием. Их принцип работы основан на процессе охлаждения сверхзвуковых газовых потоков.

Известные виды лазеров делятся на несколько типов в зависимости от того, на каком веществе они работают: на красителях, газовые, на парах металлов или полупроводниковые.

Оригинально применяют современные астрономы лазер и получают удивительный результат. Они определили точное расстояние до спутника Земли – Луны, а использовали для этого смелого эксперимента рубиновый лазер и уголковые отражатели. С поверхности Земли ученые с помощью телескопа посылали сфокусированный лазер. По времени, затраченному на путь до Луны и обратно, было определено точное расстояние.

В медицине применение лазеров невероятно широкое. С их помощью возвращается людям возможность жить полноценной жизнью. Примером могут стать операции, проводимые на сетчатке глаза, во время которых вместо скальпеля врачи используют все тот же лазер. Помимо этого, этот источник электромагнитного излучения применяется для лечения тяжелых травм костей, а также при оперативных вмешательствах, когда требуется соединение разорванной мышечной ткани.

Биологи с помощью лазерного пинцета получили новые возможности в сфере исследования белков. Широко используется лазерное намагничивание, а также охлаждение молекул при необходимости использования сверхнизких температур. Известно применение лазеров в термоядерном синтезе, поверхностной обработке, термообработке и закалке металлов, и, кроме этого, в производстве современного оружия. Например, в 2009 году американская компания Northrop Grumman создала твердотельный электрический лазер, мощность которого была равна 100 квт. Разработка предназначалась для борьбы с воздушными и наземными целями при обороне страны.

fb.ru

Применение лазеров

Лазер — квантовый генератор электромагнитных волн в видимом диапазоне спектра (источник электромагнитного излучения видимого, инфракрасного и ультрафиолетового диапазонов), основанный на вынужденном излучении атомов и молекул.

ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ЛАЗЕРОВ

• Военное дело (лазерная локация, лазерные системы слежения, наведения и т.д.)
• Медицина (хирургия, офтальмология, терапия)
• Связь
• Информационные технологии
• Искусство (зрелищные шоу)
• Голография
• Лазерная сварка, пайка и резка металлов
• Лазерный термоядерный синтез
• Лазерный катализ

С помощью лазера научились получать объемные изображения предметов, используя когерентность лазерного луча голографические изображения предметов — голография.

Принцип создания голограмм:

Образцы лазерных голограмм:

Значительный эффект получен и при использовании лазеров в медицине.

Лазеры применяются в стоматологии, нейрохирургии, при операциях на сердце и диагностике заболеваний. Ультрафиолетовые лазеры применяют для раннего обнаружения раковых опухолей.

Был создан лазерный скальпель.

Возникла лазерная микрохирургия глаза. С помощью луча лазера можно проводить хирургические операции: например, «приваривать» отслоившуюся от глазного дна сетчатку.

   Очень перспективно применение лазерного луча для связи, особенно в космическом пространстве.Лазеры позволили создать светолокатор, с помощью которого расстояние до предметов измеряется с точностью до нескольких миллиметров.

   В последнее время получила распространение еще одна важная область применения лазеров – лазерная технология, с помощью которой обеспечивается резка, сварка, легирование, скрайбирование металлов и обработка интегральных микросхем. Лазеры используются для различных видов обработки материалов: металлов, бетона, стекла, тканей, кожи и т.п.

   Огромная мощность лазерного луча используется для испарения материалов в вакууме, для сварки и т. д.

   В последние годы в одной из важнейших областей микроэлектроники — фотолитографии, без применения которой практически невозможно изготовление сверхминиатюрных печатных плат, интегральных схем и других элементов микроэлектронной техники, обычные источники света заменяются на лазерные. Лазеры применяются для записи и хранения информации (лазерные диски).

   Перспективно использование мощных лазерных лучей для осуществления управляемой термоядерной реакции.

   Возбуждая лазерным излучением атомы или молекулы, можно вызвать между ними химические реакции, которые в обычных условиях не идут.

infofiz.ru

ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРОВ

Обладая уникальными выходными параметрами, лазеры широко применяются в самых различных областях науки и техники: физике и химии, биологии и медицине, голографии, оптической обработке и записи информации, оптической связи, для осуществления термоядерного синтеза, промышленной технологии, для измерения и контроля, в военных целях

иеще целом ряде областей.

7.1.Применение лазеров в науке и технике

7.1.1. Применение лазеров в физике и химии

Использование лазеров привело к открытию совершенно новых областей исследования, и в то же время способствовало развитию уже существующих. Особенно ярким примером новой области исследования является нелинейная оптика. Высокая интенсивность лазерного излучения позволяет наблюдать явления, обусловленные нелинейным откликом среды: генерация гармоник, вынужденное рассеяние и др. Генерация гармоник состоит в том, что при падении лазерного излучения с частотой ω на нелинейную среду, последняя будет излучать когерентное излучение с частотой 2ω , 3ω и т. д.

Процесс вынужденного рассеяния характеризуется тем, что падающий лазерный пучок с частотой ω, взаимодействуя с имеющимся в среде возбуждением с частотой w(q) (например, акустической волной), приводит к возникновению когерентного излучения с частотой ω– ω(q) (стоксово рассеяние). Разность энергий падающего фотонаh(ω– ω(q)) передается тому же возбуждению. Особенно важными примерами вынужденного рассеяния являются вынужденное комбинационное рассеяние (ВКР) и вынужденное рассеяние Мандельштама – Брюллиена (здесь квантами возбуждения вещества являются акустические звуковые волны). Оба процесса – генерация гармоник и вынужденное рассеяние – имеют высокую эффективность преобразования (десятки процентов), поэтому они часто исполь-

112

зуются для получения когерентного излучения с частотой, отличной от падающей.

С появлением лазеров спектроскопия не только расширила свои прежние возможности, но и получила совершенно новые идеи. Использование одночастотных лазеров позволило проводить спектроскопические измерения с разрешающей способностью, которая на много порядков превышает разрешение, достигаемое с помощью обычных спектроскопических методов. Лазеры привели к развитию нового направления в спектроскопии – нелинейной спектроскопии, в которой разрешение спектральных линий может стать намного выше предела, обусловленного эффектами, связанными с доплеровскими уширением. Это открыло путь к новому и более детальному изучению структуры вещества.

В химии лазеры применяются как в целях диагностики, так и для получения необратимых химических изменений (лазерная фотохимия). Резонансное комбинационное рассеяние и когерентное антистоксово комбинационное рассеяние дают важную информацию о структуре и свойствах многоатомных молекул (вращательных констант, постоянной ангармоничности, значении частоты активных рамановских колебаний). Когерентное антистоксово комбинационное рассеяние можно использовать для измерения концентрации и температуры различных молекулярных соединений в некотором ограниченном объеме.

Наиболее интересным химическим применением лазера является фотохимия. Вследствие высокой стоимости лазерных фотонов промышленное использование лазерной фотохимии будет оправдано лишь при очень высокой стоимости конечного продукта. Таким случаем является разделение изотопов (в частности, урана и дейтерия). С помощью лазерного излучения можно избирательно возбуждать и затем ионизировать только те изотопы (235)U, которые необходимо выделить. Ионизированные изотопы собирают вместе, прикладывая необходимое постоянное поле. При избирательной диссоциации молекулярного соединения гексафторида U F(6) его сначала избирательно переводят в колебательное возбужденное состояние только одного изотопного состава (235)U F(6), а затем с помощью последующей оптической накачки добиваются его диссоциации. Далеко не все лазерные методы могут быть использованы для разделения изотопов в промышленном масштабе. Для этого лазерная техника должна быть

достаточно проста и экономична в изготовлении и эксплуатации и должна обеспечивать среднюю выходную мощность от 1 кВт до 1 МВт.

Многообразно применение лазеров в научных исследованиях. Кроме перечисленных можно отметить еще ряд применений: в диагностике плазмы, индикации отдельных атомов и определении концентрации элементов, измерении времени жизни короткоживущих уровней, детектировании гравитационных волн и многих других.

7.1.2. Лазерный управляемый термоядерный синтез

Осуществление термоядерного синтеза и использование его в мирных целях позволит человечеству получить неограниченный источник энергии. Для зажигания дейтериево-тритиевойплазмы с температурой 60 млн. град. необходимо, чтобы произведение плотности плазмыn и времени ее существованияt равнялосьnt ≥ 1014 c/cм³. Предлагают, что лазеры могут осуществить инерциальное удержание плазмы, поскольку лазерное излучение может обеспечить быстрый разогрев плазмы. Однако, как показали расчеты, для эффективного поджига термоядерной реакции требуется не только быстрый(~10–9 с) нагрев микросферы (из Д и Т) до очень высокой температуры, но и сжатие образующейся в ней плазмы до плотности, 104 раз больше, чем исходная плотность жидкости. Так как скорость термоядерных реакций зависит не только от температуры, но и плотности плазмы, то увеличение в 104 раз во столько же раз снижает требования к критической энергии лазерного импульса. Лазер, с помощью которого можно осуществитьД-Тплазмы, должен иметь длину волны250–2000 нм, энергию импульса в 106 Дж, длительность импульса5·10–9 с и, следовательно, пиковую мощность 200 ТВт. Он должен генерировать с частотой повторения импульсов, равной нескольким герцам, и обеспечивать среднюю мощность 10 МВт. Лазер также должен иметь КПД 1 % и потребует для питания 1 ГВт электрической мощности. В США уже создан лазер мощностью 60 ТВт (60 кДж,10–9 с). Лазерный импульс формируется генератором малой мощности, который позволяет с достаточной степенью точности управлять пространственными и временными параметрами импульса. Затем этот импульс усиливается и расщепляется на много пучков, каждый из которых усиливается. Усиленные пучки направляются порадиально-симметричнымпутям на мишень. В экспериментах

studfiles.net

Тема 13. Области применения лазеров

Лазерные источники излучения в настоящее время используются в самых разнообразных областях человеческой деятельности.

В последние годы получены результаты в области метрологии, которые оказались возможны благодаря прогрессу в создании высокостабильных лазеров, генерирующих фемтосекундные импульсы. Использование таких лазеров позволяет принципиально по-новому подойти к решению таких проблем, как создание оптических часов, проведение высокоточных измерений абсолютных значений частот в оптическом диапазоне спектра и т. д. Большое количество исследований посвящено разработке высокоточных стандартов частоты оптического диапазона.

Физической основой этих исследований является способность фемтосекундных лазеров с синхронизацией мод генерировать широкий спектр эквидистантных частот, интервал между которыми может быть стабилизирован путем фазовой привязки частоты межмодовых биений к частоте внешнего высокостабильного генератора. При этом эквидистантность межмодовых интервалов с погрешностью не хуже 10

-16задается самим процессом самосинхронизации мод. Это позволяет создавать высокостабильные линейки эквидистантных частот с шагом от 100 МГц до 1 ГГц, перекрывающей частотный интервал до сотен терагерц. Исследования демонстрируют реальную возможность создания высокостабильного стандарта частоты в оптическом диапазоне на основе использования фемтосекундных лазеров. В настоящее время с помощью высокостабильного фемтосекундного титан-сапфирового лазера уже получена стабильность частоты межмодовых биений 10^-14за 1000 с.Использование фемтосекундных лазеров позволяет также значительно упростить связь стандартов частоты оптического и СВЧ-диапазона. Если одновременно стабилизировать межмодовый интервал по частоте радиочастотного стандарта, а одну из синхронизованных мод привязать к частоте оптического стандарта, то можно получить высокоточную шкалу стандартных частот. Именно эта возможность, основанная на переносе частотных характеристик оптического стандарта в радиочастотный диапазон, и лежит в основе создания оптических часов.

Другое направление исследований связано с созданием высокостабильных твердотельных лазеров, стабилизируемых по линиям поглощения в газах. Большое внимание уделяется поиску новых опорных линий поглощения, частоты которых совпадают с частотами излучения твердотельных лазеров. Определенным успехом следует считать стабилизацию Tm:Ho:YAG лазера (= 2.097 мкм) по линии поглощения молекулы HBr. Имеются обнадеживающие результаты по созданию оптического стандарта, основанного на привязке частоты второй гармоники Nd:YAG-лазера к резонансной линии поглощения в¹²⁷I₂. На основе Nd:YAG/I₂-лазера создан стандарт частоты, частотная стабильность которого составляет 5×10^-14в течение нескольких сотен секунд.В последние годы достигнут значительный прогресс в получении узких и сверхузких оптических резонансов, необходимых для создания оптических стандартов частоты. В частности, в лазере на He-Ne/CH₄(= 3,39 мкм) с внутрирезонаторным телескопическим расширителем пучка получена воспроизводимость частоты 10¹⁴, что стало возможным благодаря реализации сверхузких резонансов насыщенного поглощения с однородной шириной линии порядка 10 Гц.Еще одна возможность создания оптических реперов связана с использованием запрещенных переходов. В частности, для синтеза и абсолютного измерения частот в оптическом диапазоне используется запрещенный переход в ионе индия на длине волны 236.5 нм, с которой совпадает четвертая гармоника Nd:YAG-лазера.

Фундаментальное значение для физики имеет разработка методов и создание аппаратуры для измерения сверхмалых смещений с помощью лазерной техники. Достигнутая точность таких методов открывает экспериментальную возможность проверки постулатов теории относительности. Проведенные в последнее время исследования позволили разработать принципиальную схему лазерного высокочувствительного детектора гравитационных волн от периодических астрофизических источников — пульсаров и создать измерительный комплекс для измерения красного смещения.

Широкое распространение получили лазеры в медицине. Лазеры в хирургии позволили осуществлять прецизионно точное локальное воздействие. При этом оказалось возможным проводить бескровные операции, поскольку лазерный скальпель коагулирует («заваривает») сосуды в зоне «разреза». Использование таких режимов лазеров, как модуляция добротности и синхронизация мод, позволило проводить уникальные операции по послойному «сухому» стравливанию ткани роговицы глаза и импульсному удалению опухолей с минимальным повреждением здоровых тканей. Высокая точность, селективность, повторяемость параметров и абсолютная стерильность, как при неконтактном, так и контактном воздействии являются основными преимуществами лазеров в современной хирургии. Применение оптических волокон для передачи лазерного излучения и изображения позволили проводить микрооперации на внутренних органах без рассечения тканей.

Одним из наиболее распространенных лазеров в хирургии является лазер на двуокиси углерода. Этот лазер пригоден в большинстве случаев, например, когда нужно рассечь или приварить друг к другу ткани разного цвета. Лазер на двуокиси углерода — это первый хирургический лазер, который активно используется с 1970-х годов по настоящее время. Высокое поглощение в воде и органических соединениях (типичная глубина проникновения 0,1 мм) делает СО₂-лазер подходящим для широкого спектра хирургических вмешательств, в том числе для гинекологии, оториноларингологии, общей хирургии,дерматологии, кожно-пластической и косметической хирургии. Поверхностное воздействие лазера позволяет иссекать биоткань без глубокого ожога. Это также делает CO₂-лазер не опасным для глаз, т. к. излучение не проходит сквозь роговицу и хрусталик.

Другие лазеры, излучающие на фиксированной длине волны, нагревают, разрушают или сваривают только некоторые биологические ткани с вполне определенной окраской. Например, луч аргонового лазера свободно проходит через матовое стекловидное тело и отдает свою энергию сетчатке, цвет которой близок к красному.

Предпочтительная сфера хирургического применения неодимового лазера — это объемная и глубокая коагуляция в урологии, гинекологии, онкологические опухоли, внутренние кровотечения и т. п. как в открытых, так и в эндоскопических операциях.

Диагностические лазерные методы в отличие от хирургических не столь широко распространены, прежде всего потому, что используемые в них до последнего времени твердотельные и газовые лазеры дороги и недостаточно управляемы. Однако такие методы исследования, как бесконтактная биопсия, измерение тока крови в микрососудах и лазерная томография кожи, слизистых оболочек и прозрачных сред глаза являются уникальными.

Лазеры позволили осуществить значительный прорыв в стоматологии, как для десен и других мягких тканей, так и для самих зубов. В наши дни значительное количество лазерных технологий и методов лечения получили широкое применение. Сегодня лазеры используются в следующих областях стоматологии: профилактика, пародонтология, эстетическая стоматология, эндодонтия, хирургия, имплантодонтия, протезирование. Еще в 1964 году была предположена возможность применения рубинового лазера для лечения кариеса, что привлекло внимание всего мира. В 1967 году была осуществлена попытка удаления кариеса при помощи рубинового лазера, но она оказалась тогда неудачной, поскольку не удалось избежать повреждения пульпы зуба, несмотря на хорошие результаты, полученные на извлеченных зубах. Позднее подобные исследования с CO₂— лазером также столкнулись с этой проблемой. Чтобы минимизировать накопление тепла, вместо непрерывного излучения использовались импульсные лазеры. Дальнейшие исследования продемонстрировали, что лазер Nd:YAG может давать небольшой местный анестезирующий эффект. Более поздние разработки привели к успешному использованию Er:YAG лазера, который полностью просверливает эмаль и дентин. При этом лазер сохраняет больше здоровой ткани зуба. С сегодняшними лазерами практически нет нежелательного нагревания, шума и вибрации.

В косметологии для устранения сосудистых и пигментных дефектов кожи используются лазеры на красителе и на парах меди, для эпиляции — александритовые и рубиновые лазеры. Основной принцип применения лазеров в косметологии заключается в том, что свет воздействует только на тот объект или вещество, которое поглощает его. В коже свет поглощается особыми веществами — хромофорами. Каждый хромофор поглощает в определенном диапазоне длин волн, например, для оранжевого и зеленого спектра это гемоглобин крови, для красного спектра — меланин волос, а для инфракрасного спектра — клеточная вода. При поглощении излучения происходит преобразование энергии лазерного луча в тепло на том участке кожи, который содержит хромофор. При достаточной мощности лазерного луча это приводит к тепловому разрушению мишени. Таким образом, с помощью лазера можно селективно воздействовать, например, на корни волос, пигментные пятна и другие дефекты кожи.

Однако одними из наиболее важных направлений использования лазеров в настоящее время являются возможности их применения в технологических процессах и в задачах детектирования различных веществ. Применение лазеров в технологических процессах основано на том, что высокая интенсивность лазерного излучения вызывает большой спектр физико-химических процессов в материале. Кроме того, вследствие значительного диапазона длин излучений лазерных источников оказывается возможным воздействовать на материалы на различных глубинах от поверхности.

В зависимости от плотности лазерного излучения вещество может нагреваться, плавиться, испаряться, ионизироваться. При очень больших плотностях мощности и при коротких импульсах воздействие излучения приводит к образованию в материале ударной волны. Все это приводит к многообразию технологических процессов, в которых используются лазеры. Более того, только с возникновением лазеров ряд технологических процессов оказались осуществимы. Здесь мы кратко остановимся на возможностях использования лазеров для обработки металлов и полупроводников. Начнем с металлов.

Применение лазеров для процессов сварки открыло, по крайней мере, две возможности, которые нельзя было ранее реализовать: во-первых, с помощью лазера можно осуществить высококачественную точечную сварку, во-вторых, можно сваривать материалы, которые принципиально различаются по своим теплофизическим свойствам, например, стали и алюминия или меди.

Лазерная пайка позволяет точно контролировать степень нагрева материала, локальность пайки (для этого используются оптические волокна). Помимо этого, расщепление лазерного луча позволяет осуществлять одновременную пайку сразу на нескольких участках.

Лазерное сверление позволяет получать отверстия малого диаметра, причем в таких трудносверлимых материалах, как, например, различные керамические сплавы.

Короткие импульсы высокой мощности лазеров, воздействующие на материал, приводят к высоким скоростям нагрева и охлаждения. Как результат, возникают такие структурные состояния вещества, которые невозможно получить без использования лазерных источников. Это используется для улучшения механических свойств материалов, таких как износоустойчивость, твердость, коррозионная стойкость. Кроме того, с помощью лазера можно оплавлять поверхностный слой металла как для нанесения защитного покрытия, так и для устранения поверхностных дефектов, а можно для этих же целей наносить на поверхность материала тонкий слой другого материала с последующим его оплавлением.

В ряде случаев быстрый нагрев металла, сопровождающийся его плавлением, а затем быстрая конденсация приводят к образованию аморфных структур. Это находит реализацию в процессах изготовления металлических стекол.

В случае, когда мощность лазерного излучения оказывается достаточной для испарения вещества с поверхности металла, в испаренной газовой фазе начинают протекать различные химические реакции – окисления и восстановления, разложения и синтеза. Эти реакции приводят к возникновению новых материалов на поверхности, что может использоваться в различных микроэлектронных технологиях.

Основными технологиями обработки полупроводников излучением лазеров являются лазерный отжиг, легирование, окисление, геттерирование, очистка поверхности, осаждение тонких пленок на поверхность, образование силицидов, скрайбирование.

Лазерный отжиг предназначен для удаления дефектов из полупроводников после ионной имплантации. Практика показывает, что качество лазерного отжига выше по сравнению с обычными нелазерными способами. Достоинством лазерного легирования является существенно большая предельная растворимость примесей в кремнии по сравнению с нелазерными методами. Окисление поверхности материала при его нагреве лазерным излучением в атмосфере кислорода по заданному рисунку позволяет получать изделия очень высокого качества.

Сущность геттерирования заключается в том, что при создании искусственного дефекта на поверхности материала этот дефект оказывается способным собирать на себе ряд других дефектов-загрязнений. В результате общее количество дефектов уменьшается на порядки. Лазерное излучение используется для создания таких искусственных дефектов на обратных сторонах полупроводниковых пластин, что значительно повышает их качество.

Для очистки поверхности она расплавляется лазерным излучением, и в результате термической десорбции поверхность таким образом очищается от загрязнений.

Если насадить на кремниевую подложку тонкий слой металла по заданному рисунку и нагреть его излучением лазера до необходимой температуры, то в результате химической реакции металл вступает в соединение с кремнием (образуется силицид), который служит электрическими контактами и токоведущими дорожками. Важно, что локальный нагрев не затрагивает при этом соседние участки и качество изделия оказывается высоким.

Под скрайбированием понимается надрезание лазерным излучением полупроводниковых пластин с последующим механическим разломом.

studfiles.net

Что такое лазер? Принцип работы и применение.

Сложно в наше время найти человека, который никогда не слышал бы слова «лазер», однако чётко представляют, что это такое, весьма немногие.

За полвека с момента изобретения лазеры разных видов нашли применение в широком спектре направлений, от медицины до цифровой техники. Так что же такое лазер, каков принцип его действия, и для чего он нужен?

Что такое лазер?

Возможность существования лазеров была предсказана Альбертом Эйнштейном, который ещё в 1917 году опубликовал работу, говорящую о возможности излучения электронами квантов света определённой длины. Это явление было названо вынужденным излучением, но долгое время оно считалось нереализуемым с технической точки зрения.

Однако с развитием технических и технологических возможностей создание лазера стало делом времени. В 1954 году советские учёные Н. Басов и А. Прохоров получили Нобелевскую премию за создание мазера – первого микроволнового генератора, работающего на аммиаке. А в 1960 году американец Т. Мейман изготовил первый квантовый генератор оптических лучей, названный им лазером (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Устройство преобразовывает энергию в оптическое излучение узкой направленности, т.е. световой луч, поток квантов света (фотонов) высокой концентрации.

Принцип функционирования лазера

Явление, на котором основана работа лазера, называется вынужденным, или индуцированным, излучением среды. Атомы определённого вещества могут испускать фотоны под действием других фотонов, при этом энергия воздействующего фотона должна быть равной разности между энергетическими уровнями атома до излучения и после него.

Излучённый фотон является когерентным тому, который вызвал излучение, т.е. в точности подобен первому фотону. В результате слабый поток света в среде усиливается, причём не хаотично, а в одном заданном направлении. Образуется луч вынужденного излучения, которое и получило название лазера.

Классификация лазеров

По мере исследования природы и свойств лазеров были открыты различные виды этих лучей. По виду состояния исходного вещества лазеры могут быть:

• газовыми;
• жидкостными;
• твердотельными;
• на свободных электронах.

В настоящее время разработано несколько способов получения лазерного луча:

• при помощи электрического тлеющего либо дугового разряда в газовой среде – газоразрядные;
• при помощи расширения горячего газа и создания инверсий населённости – газодинамические;
• при помощи пропускания тока через полупроводник с возбуждением среды – диодные или инжекционные;
• путём оптической накачки среды лампой-вспышкой, светодиодом, другим лазером и т. д.;
• путём электронно-лучевой накачки среды;
• ядерной накачкой при поступлении излучения из ядерного реактора;
• при помощи особых химических реакций – химические лазеры.

Все они обладают своими особенностями и отличиями, благодаря которым находят применение в различных сферах промышленности.

Практическое использование лазеров

На сегодняшний день лазеры разных типов применяются в десятках отраслей промышленности, медицины, IT технологий и других сферах деятельности. С их помощью осуществляются:

• резка и сварка металлов, пластмасс, других материалов;
• нанесение изображений, надписей и маркировка поверхности изделий;
• сверление сверхтонких отверстий, прецизионная обработка полупроводниковых кристаллических деталей;
• формирование покрытий изделий напылением, наплавкой, поверхностным легированием и т.д.;
• передача информационных пакетов при помощи стекловолокна;
• выполнение хирургических операций и других лечебных воздействий;
• косметологические процедуры омоложения кожи, удаления дефектных образований и др.;
• наведение на цель различных видов вооружений, от стрелкового до ракетного оружия;
• создание и использование голографических методов;
• применение в различных научно-исследовательских работах;
• измерение расстояний, координат, плотности рабочих сред, скорости потоков и многих других параметров;
• запуск химических реакций для проведения различных технологических процессов.

Существует ещё немало направлений, в которых лазеры уже используются или найдут применение в самое ближайшее время.

www.vseznaika.org

Применение лазеров

Лазер — квантовый генератор электромагнитных волн в видимом диапазоне спектра (источник электромагнитного излучения видимого, инфракрасного и ультрафиолетового диапазонов), основанный на вынужденном излучении атомов и молекул.

ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ЛАЗЕРОВ

• Военное дело (лазерная локация, лазерные системы слежения, наведения и т.д.)
• Медицина (хирургия, офтальмология, терапия)
• Связь
• Информационные технологии
• Искусство (зрелищные шоу)
• Голография
• Лазерная сварка, пайка и резка металлов
• Лазерный термоядерный синтез
• Лазерный катализ

С помощью лазера научились получать объемные изображения предметов, используя когерентность лазерного луча голографические изображения предметов — голография.

Принцип создания голограмм:

Образцы лазерных голограмм:

Значительный эффект получен и при использовании лазеров в медицине.

Лазеры применяются в стоматологии, нейрохирургии, при операциях на сердце и диагностике заболеваний. Ультрафиолетовые лазеры применяют для раннего обнаружения раковых опухолей.

Был создан лазерный скальпель.

Возникла лазерная микрохирургия глаза. С помощью луча лазера можно проводить хирургические операции: например, «приваривать» отслоившуюся от глазного дна сетчатку.

   Очень перспективно применение лазерного луча для связи, особенно в космическом пространстве.Лазеры позволили создать светолокатор, с помощью которого расстояние до предметов измеряется с точностью до нескольких миллиметров.

   В последнее время получила распространение еще одна важная область применения лазеров – лазерная технология, с помощью которой обеспечивается резка, сварка, легирование, скрайбирование металлов и обработка интегральных микросхем. Лазеры используются для различных видов обработки материалов: металлов, бетона, стекла, тканей, кожи и т.п.

   Огромная мощность лазерного луча используется для испарения материалов в вакууме, для сварки и т. д.

   В последние годы в одной из важнейших областей микроэлектроники — фотолитографии, без применения которой практически невозможно изготовление сверхминиатюрных печатных плат, интегральных схем и других элементов микроэлектронной техники, обычные источники света заменяются на лазерные. Лазеры применяются для записи и хранения информации (лазерные диски).

   Перспективно использование мощных лазерных лучей для осуществления управляемой термоядерной реакции.

   Возбуждая лазерным излучением атомы или молекулы, можно вызвать между ними химические реакции, которые в обычных условиях не идут.

infofiz.ru

Лазеры и их применение

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

БЛАГОВЕЩЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Физико-математический факультет

Кафедра общей и экспериментальной физики

ЛАЗЕРЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ

Курсовая работа

Благовещенск 2007

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И ВИДЫ ЛАЗЕРОВ

1.1 ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ЛАЗЕРНОГО ЛУЧА

1.2 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЛАЗЕР

1.3 ЖИДКОСТНЫЙ ЛАЗЕР

1.3.1 ЛАЗЕРЫ НА КРАСИТЕЛЯХ

1.4 ХИМИЧЕСКИЙ ЛАЗЕР И ДРУГИЕ

1.5 МОЩНЫЕ ЛАЗЕРЫ

1.5.1 МНОГОКАСКАДНЫЕ И МНОГОКАНАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ

2. ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРОВ

2.1 ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРНОГО ЛУЧА В ПРОМЫШЛЕННОСТИ И ТЕХНИКЕ

2.2 ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРОВ В МЕДИЦИНЕ

2.3 ГОЛОГРАФИЯ

2.3.1 ВОЗНИКНОВЕНИЕ ГОЛОГРАФИИ

2.3.2 СПОСОБЫ ГОЛОГРАФИРОВАНИЯ

2.3.3 ПРИМЕНЕНИЕ ГОЛОГРАФИИ

2.4 ЛАЗЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ – СРЕДСТВО ЗАПИСИ И ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Данная курсовая работа посвящается изучению лазеров и их применения в различных сферах деятельности человека.

Актуальность данной проблематики обусловлена постоянным ростом темпа развития лазерных технологий и их внедрения в нашу жизнь.

Целью работы является изучение лазерных технологий, что предусматривает решение следующих конкретных задач:

1) познакомиться с принципом работы различных типов лазеров;

2) узнать способы повышения мощности лазерного излучения;

3) рассмотреть варианты применения лазеров.

Материалом для работы послужили данные, полученные при работе с литературой и Internet.

Курсовая работа состоит из введения, двух глав, заключения, приложения и библиографии, изложенной на странице.

Во введении обуславливается актуальность работы, формулируются основные цели и задачи, методы исследования и используемый материал.

В первой главе раскрывается принцип работы различных видов лазеров.

Во второй главе рассматриваются сферы и области применения лазеров.

В заключении в обобщенном виде подводятся итоги работы.

1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ЛАЗЕРОВ

В основу лазеров положено явление индуцированного излучения, существование которого было предсказано Эйнштейном в 1917 году. По Эйнштейну, наряду с процессами обычного излучения и резонансного поглощения существует третий процесс — вынужденное (индуцированное) излучение. Свет резонансной частоты, то есть той частоты, которую атомы способны поглощать, переходя на высшие энергетические уровни, должен вызывать свечение атомов, уже находящихся на этих уровнях, если таковые имеются в среде. Характерная особенность этого излучения заключается в том, что испускаемый свет неотличим от вынуждающего света, то есть совпадает с последним по частоте, по фазе, поляризации и направлению распространения. Это означает, что вынужденное излучение добавляет в световой пучок точно такие же кванты света, какие уводит из него резонансное поглощение.

Атомы среды могут поглощать свет, находясь на нижнем энергетическом уровне, излучают же они на верхних уровнях. Отсюда следует, что при большом количестве атомов на нижних уровнях (по крайней мере, большем, чем количество атомов на верхних уровнях), свет, проходя через среду, будет ослабляться. Напротив, если число атомов на верхних уровнях больше числа невозбужденных, то свет, пройдя через данную среду, усилится. Это значит, что в данной среде преобладает индуцированное излучение. Пространство между зеркалами заполнено активной средой, то есть средой, содержащей большее количество возбужденных атомов (атомов, находящихся на верхних энергетических уровнях), чем невозбужденных. Среда усиливает проходящий через неё свет за счет индуцированного излучения, начало которому даёт спонтанное излучение одного из атомов.

Лазерное излучение — есть свечение объектов при нормальных температурах. Но в обычных условиях большинство атомов находятся на низшем энергетическом состоянии. Поэтому при низких температурах вещества не светятся. При прохождении электромагнитной волны сквозь вещество её энергия поглощается. За счёт поглощенной энергии волны часть атомов возбуждается, то есть переходит в высшее энергетическое состояние. При этом от светового пучка отнимается некоторая энергия:

hν=E2-E1,

где hν — величина, соответствующая количеству потраченной энергии,

E2 — энергия высшего энергетического уровня,

E1 — энергия низшего энергетического уровня.

Возбужденный атом может отдать свою энергию соседним атомам при столкновении или испустить фотон в любом направлении. Теперь представим, что каким-либо способом мы возбудили большую часть атомов среды. Тогда при прохождении через вещество электромагнитной волны с частотой

,

где v — частота волны,

Е2 — Е1 — разница энергий высшего и низшего уровней,

h — длина волны,

эта волна будет не ослабляться, а напротив, усиливаться за счёт индуцированного излучения. Под её воздействием атомы согласованно переходят в низшие энергетические состояния, излучая волны, совпадающие по частоте и фазе с падающей волной.

1.1 ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ЛАЗЕРНОГО ЛУЧА

Лазеры являются уникальными источниками света. Их уникальность определяют свойства, которыми не обладают обычные источники света. В противоположность, например, обычной электрической лампочке, электромагнитные волны, зарождающиеся в различных частях оптического квантового генератора, удаленных друг от друга на макроскопические расстояния, оказываются когерентны между собой. Это значит, что все колебания в различных частях лазера происходят согласованно. Чтобы разобрать понятие когерентности в деталях, нужно вспомнить понятие интерференции. Интерференция — это взаимодействие волн, при котором происходит сложение амплитуд этих волн. Если удается запечатлеть процесс этого взаимодействия, то можно увидеть так называемую интерференционную картину (она выглядит как чередование темных и светлых участков). Интерференционную картину осуществить довольно трудно, так как обычно источники исследуемых волн порождают волны несогласованно, и сами волны при этом будут гасить друг друга. В этом случае интерференционная картина будет чрезвычайно размыта или же не будет видна вовсе. Процесс взаимного гашения схематично представлен на рис.1(а) Следовательно, решение проблемы получения интерференционной картины лежит в использовании двух зависимых и согласованных источников волн. Волны от согласованных источников излучают таким образом, что разность хода волн будет равна целому числу длин волн. Если это условие выполняется, то амплитуды волн накладываются друг на друга и происходит интерференция волн рис. 1(б). Тогда источники волн можно назвать когерентными.

Когерентность волн, и источников этих волн можно определить математически. Пусть Е1 — напряженность электрического поля, создаваемая первым пучком

света, Е2 — вторым. Допустим, что пучки пересекаются в некоторой точке пространства А. Тогда согласно принципу суперпозиции напряженность поля в точке А равна

Е = Е1 + Е2

Так как в явлениях интерференции и дифракции оперируют относительными

значениям величин, то дальнейшие операции будем производить с величиной — интенсивность света, которая обозначена за I и равна

I = E2

Меняя величину I на определенную ранее величину Е, получаем

I = I1 + I2 + I12,

где I1 — интенсивность света первого пучка,

I2 — интенсивность света второго пучка.

Последнее слагаемое I12 учитывает взаимодействие пучков света и называется интерференционным членом. Это слагаемое равно

I12 = 2 (E1 * E2)

Если взять независимые источники света, например, две электрические лампочки, то повседневный опыт показывает, что I = I1 + I2, то есть результирующая интенсивность равна сумме интенсивностей налагающихся пучков, а потому интерференционный член обращается в ноль. Тогда говорят, что пучки некогерентны между собой, следовательно, некогерентны и источники света. Однако, если накладывающиеся пучки зависимы, то интерференционный член не обращается в ноль, а потому I <> I1 + I2. В этом случае в одних точках пространства результирующая интенсивность I больше, в других – меньше интенсивностей I1 и I2. Тогда и происходит интерференция волн, а значит, источники света оказываются когерентными между собой. С понятием когерентности также связано понятие пространственной когерентности. Два источника электромагнитных волн, размеры и взаимное расположение которых позволяет получить интерференционную картину, называются пространственно когерентными. Другой замечательной чертой лазеров, тесно связанной с когерентностью их излучения, является способность к концентрации энергии — концентрации во времени, в спектре, в пространстве, по направлению распространения. Первое означает то, что излучение оптического генератора может длиться всего около сотни микросекунд. Концентрация в спектре предполагает, что ширина спектральной линии лазера очень узка. Это монохроматичность. Лазеры также способны создавать пучки света с очень малым углом расхождения. Как правило, это значение достигает 10-5 рад. Это значит, что на Луне такой пучок, посланный с Земли, даст пятно диаметром около 3 км. Это является проявлением концентрации энергии лазерного луча в пространстве и по направлению распространения.

Для некоторых квантовых генераторов характерна чрезвычайно высокая степень монохроматичности их излучения. Любой поток электромагнитных волн всегда обладает набором частот. Излучение и поглощение атомной системы характеризуется не только частотой, но и некоторой неопределенностью этой величины, называемой шириной спектральной линии (или полосы). Абсолютно монохроматического одноцветного потока создать нельзя, однако, набор частот лазерного излучения чрезвычайно узок, что и определяет его очень высокую монохроматичность. Нужно отметить, что линии лазерного излучения имеют сложную структуру и состоят из большого числа чрезвычайно узких линий. Применяя соответствующие оптические резонаторы, можно выделить и стабилизировать отдельные линии этой структуры, создав тем самым одночастотный лазер.

mirznanii.com