Лазерные технологии и их применение

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РФ

КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра «Общей биологии и экологии»

Реферат

на тему:

«Лазерные технологии и их применение»

                                                                 Выполнила студентка гр. ГМУ-15

                                                                  Медведева Юлия

                                                 Проверил преподаватель

                                                         Скрипка Людмила Федоровна

Краснодар 2009

СОДЕРЖАНИЕ

     Введение____________________________________________________2

1.      Характеристики некоторых типов лазеров________________________3

2.      Классификация лазеров по безопасности_________________________5

3.      Краткий исторический обзор___________________________________6

4.      Лазерная технология__________________________________________7

5.      Основные свойства лазерного луча______________________________8

6.      Применение лазеров _________________________________________9

а) Лазерный луч в роли сверла______________________________10

б) Лазерная резка и сварка _________________________________11

в) Голография  ___________________________________________13

г) Применение лазеров в медицине__________________________14

д) Лазерное оружие_______________________________________16

е) Новейшие области применения лазеров____________________17

      Заключение ________________________________________________20

Введение.

Человек никогда не хотел жить в темноте; он изобрел много разнообразных источников света — от канувших в прошлое стеарино­вых свечей, газовых рожков и керосиновых ламп до ламп накаливания и ламп дневного света, которые сегодня освещают наши улицы и дома. И вот во второй половине двадцатого века произошло открытие физических явлений, послуживших основой для создания удивительного прибора - оптического квантового генератора, или лазера.

Этот источник света совершенно необычен. В отли­чие от всех других источников, он вовсе не предназна­чается для освещения. В отли­чие от других источников света, лазер генерирует световые лучи, способные гравировать, сваривать, ре­зать материалы, передавать информацию, осуществ­лять измерения, контролировать процессы, получать особо чистые вещества, направлять химические реак­ции...  Так что это поистине удивительные лучи.

  Лазер представляет собой источник монохроматического когерентного света с высокой направленностью светового луча. Само слово “лазер” составлено из первых букв английского словосочетания «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation», означающего усиление света в результате вынужденного излучения.                                                                                                                         

  Действительно, основной физический процесс, определяющий действие лазера, - это вынужденное испускание излучения. Оно происходит при взаимодействии фотона с возбужденным атомом при точном совпадении энергии фотона с энергией возбуждения атома (или молекулы)                                  

  В результате этого взаимодействия атом переходит в невозбужденное состояние, а избыток  энергии излучается в виде нового фотона с точно такой же энергией, направлением  распространения  и поляризацией, как и у первичного  фотона. 

  Кроме  вынужденного  испускания  фотонов  возбужденными  атомами  происходят  также   процесс  самопроизвольного, спонтанного   испускания  фотонов  при переходе возбужденными атомами в невозбужденное состояние и процесс поглощения фотонов при переходе атомов из невозбужденного состояния в возбужденное. Эти три процесса, сопровождающие переходы атомов в возбужденные состояния и обратно, были постулированы  А. Эйнштейном в 1916 г.

   В 1955 г. одновременно и независимо Н.Г. Басовым и А. М. Прохоровым  в  СССР  и  Ч.  Таунсом в  США был  предложен принцип создания  первого в  мире генератора квантов   электромагнитного   излучения  на   среде  с  инверсной   населенностью,   в   котором   вынужденное  испускание в  результате использования  обратной связи приводило  к  генерации   чрезвычайно  монохроматического излучения.                                     

   Спустя несколько лет, в 1960 г.,  американским физиком  Т.  Мейманом был  запущен первый  квантовый генератор оптического диапазона - лазер, в  котором обратная  связь  осуществлялась  с помощью  оптического резонатора, а инверсная  населенность возбуждалась  в  кристаллах  рубина,  облучаемых  излучением  ксеноновой  лампы-вспышки.  

1. Характеристики некоторых типов лазеров.

      Принято различать два типа лазеров: усилители и генераторы. На выходе усилителя появляется лазерное излучение, когда на его вход (а сам он уже находится в возбужденном состоянии) поступает незначительный сигнал на частоте перехода. Именно этот сигнал стимулирует возбужденные частицы к отдаче энергии. Происходит лавинообразное усиление. Таким образом – на входе слабое излучение, на выходе – усиленное.

С генератором дело обстоит иначе. На его вход излучение на частоте перехода уже не подают, а возбуждают и, более того, перевозбуждают активное вещество. Причем если активное вещество находится в перевозбужденном состоянии, то существенно растет вероятность самопроизвольного перехода одной или нескольких частиц с верхнего уровня на нижний. Это приводит к возникновению стимулированного излучения.

Второй подход к классификации лазеров связан с физическим состоянием активного вещества. С этой точки зрения лазеры бывают твердотельными (например, рубиновый, стеклянный или сапфировый), газовыми (например, гелий- неоновый, аргоновый и т.п.), жидкостными, если в качестве активного вещества используется полупроводниковый переход, то лазер называют полупроводниковым.

В настоящее время имеется громадное разнообразие лазеров, отличающихся между собой активными средами, мощностями, режимами работы и другими характеристиками. Нет необходимости все их описывать. Поэтому здесь даётся краткое описание лазеров, которые достаточно полно представляют характеристики основных типов лазеров.

Рубиновый лазер. Первым квантовым генератором света был рубиновый лазер, созданный в 1960 году. Рабочим веществом является рубин, представляющий собой кристалл оксида алюминия, в который при выращивании введен в виде примеси оксид хрома. Красный цвет рубина обусловлен положительным ионом. В решетке кристалла в результате замещения ионов возникают две полосы поглощения: одна—в зеленой, другая—в голубой части спектра. При облучении рубина белым светом голубая и зеленая части спектра поглощаются, а красная отражается.

   Кристалл рубина выращивается в виде круглого цилиндра. Ксеноновая лампа и кристалл рубина помещаются в эллиптическую полость с хорошо отражающей внутренней поверхностью. Чтобы обеспечить попадание на рубин всего излучения ксеноновой лампы, кристалл рубина и лампа, имеющая также форму круглого цилиндра, помещаются в фокусы эллиптического сечения полости параллельно ее образующим. Благодаря этому на рубин направляется излучение с плотностью, практически равной плотности излучения на источнике накачки.

Гелий-неоновый лазер. Активной средой является газообразная смесь гелия и неона. Генерация осуществляется за счет переходов между энергетическими уровнями неона, а гелий играет роль посредника, через который энергия передается атомам неона для создания инверсной заселенности. Неон может генерировать лазерное изучение в результате более 130 различных переходов.

Газовые лазеры. Они представляют собой, пожалуй, наиболее широко используемый в настоящее время тип лазеров и, возможно, в этом отношении они превосходят даже рубиновые лазеры. Газовым лазерам также посвящена большая часть выполненных исследований. Среди различных типов газовых лазеров всегда можно найти такой, который будет удовлетворять почти любому  требованию, предъявляемому  к лазеру, за исключением очень большой мощности в видимой области спектра в импульсном  режиме. В настоящее время большие мощности в газовых лазерах не получены по той простой причине, что плотность атомов в них недостаточно велика. Однако почти для всех других целей можно найти конкретный тип газового лазера, который будет превосходить как твердотельные лазеры с оптической накачкой, так и полупроводниковые  лазеры.

Особенности  газовых  лазеров часто обусловлены тем, что они, как правило, являются источниками атомных  или  молекулярных  спектров. Поэтому длины волн переходов точно известны. Они определяются атомной структурой и  обычно  не  зависят  от  условий  окружающей  среды. Стабильность длины  волны генерации при определенных усилиях может быть значительно улучшена по сравнению со  стабильностью спонтанного излучения.

Проточный СО2-лазер. Важной модификацией является проточный СО2-лазер, в котором смесь газов CO2, N2, не непрерывно прокачивается через резонатор. Такой лазер может генерировать непрерывное когерентное излучение мощностью свыше 50 Вт на метр длины своей активной среды.

Неодимовый лазер. Название может ввести в заблуждение. Телом лазера является не металл неодим, а обычное стекло с примесью неодима. Ионы атомов неодима беспорядочно распределены среди атомов кремния и кислорода.

Т-лазер. Во многих практических приложениях важную роль играет СO2-лазер, в котором рабочая смесь находится под атмосферным давлением и возбуждается поперечным электрическим полем (Т-лазер). Поскольку электроды расположены параллельно оси резонатора, для получения больших значений напряженности электрического поля в резонаторе требуются сравнительно небольшие разности потенциалов между электродами, что дает возможность работать в импульсном режиме при атмосферном давлении, когда концентрация CO2 в резонаторе велика. Следовательно, удается получить большую мощность, достигающую обычно 10 МВт и больше в одном импульсе излучения продолжительностью менее 1 мкс. Частота повторения импульсов в таких лазерах составляет обычно несколько импульсов в минуту.

Газодинамические лазеры. Нагретая до высокой температуры (1000—2000 К) смесь CO2 и N2 при истечении с большой скоростью через расширяющееся сопло сильно охлаждается. Верхний и нижний энергетический уровни при этом термоизолируются с различной скоростью, в результате чего образуется инверсная заселенность. Следовательно, образовав на выходе из сопла оптический резонатор, можно за счет этой инверсной заселенности генерировать лазерное излучение. Действующие на этом принципе лазеры называются газодинамическими. Они позволяют получать очень большие мощности излучения в непрерывном режиме.

Лазеры на красителях. Красители являются очень сложными молекулами, у которых сильно выражены колебательные уровни энергии. А это означает, что если молекулы красителя взять в качестве активного вещества для генерации лазерного излучения, то в зависимости от настройки резонатора можно получить практически непрерывную перестройку частоты генерируемого лазерного излучения. Поэтому на красителях создаются лазеры с перестраиваемой частотой генерации. Накачка лазеров на красителях производится газоразрядными лампами или излучением других лазеров.

Полупроводниковые лазеры. Основным примером работы полупроводниковых лазеров является магнитно-оптический накопитель (МО). 

МО накопитель построен на совмещении магнитного и оптического принципа хранения информации. Записывание информации производится при помощи луча лазера и магнитного поля, а считывание при помощи одного только лазера.

Область применения МО дисков определяется  его  высокими характеристиками по надежности, объему и сменяемости. МО диск необходим для задач, требующих большого дискового объема. Это такие задачи, как обработка изображений звука. Для МО дисков очень выгодным использованием является резервное копирование жестких дисков или баз данных. При таком способе восстановления нет необходимости полностью останавливать систему до полного восстановления данных. Эти достоинства в сочетании с высокой надежностью  хранения информации делают применение МО дисков при резервном копировании выгодным.

Применение МО дисков, также целесообразно при работе с приватной информацией больших объемов. Легкая сменяемость дисков позволяет использовать их только во время работы, не заботясь об охране компьютера в нерабочее время, данные могут храниться в отдельном, охраняемом месте. Это же свойство делает МО диски незаменимыми в ситуации, когда необходимо перевозить большие объемы с места на место, например с работы домой и обратно.

2. Классификация лазеров по безопасности

В основу классификации лазеров положена степень опасности лазерного излучения для обслуживающего персонала. По этой классификации лазеры разделены на 4 класса:

класс 1 (безопасные) - выходное излучение не опасно для глаз;

класс II (малоопасные) - опасно для глаз прямое или зеркально отраженное излучение;

класс III (среднеопасные) - опасно для глаз прямое, зеркально, а также диффузно отраженное излучение на расстоянии 10 см от отражающей поверхности и (или) для кожи прямое или зеркально отраженное излучение;

класс IV (высокоопасные)- опасно для кожи диффузно отраженное излучение на расстоянии 10 см от отражающей поверхности.

3. Краткий исторический обзор                                                          

В самом термине лазер отражена та фундаментальная роль процессов вынужденного испускания, которую они играют в генераторах и усилителях когерентного света. Поэтому историю создания лазера следует начинать с 1917 г., когда Альберт Эйнштейн впервые ввел представление о вынужденном испускании. Это был первый шаг на пути к лазеру.

Следующий шаг сделал советский физик В.А. Фабрикант, указавший в 1939 г. на возможность использования вынужденного испускания для усиления электромагнитного излучения при его прохождении через вещество. Идея, высказанная В.А. Фабрикантом, предполагала использование микросистем с инверсной заселенностью уровней. Позднее, после окончания Великой Отечественной войны В.А. Фабрикант вернулся к этой идее и на основе своих исследований подал в 1951 г. (вместе с М.М. Вудынским и Ф.А. Бутаевой) заявку на изобретение способа усиления излучения при помощи вынужденного испускания.