Реферат: Применение лазера. Применение лазеров в автомобилестроении реферат

Лазерные технологии в автомобилестроении

Вряд ли кто-то поспорит со специалистами крупнейшего автогиганта России, завода ВАЗ, что самый большой, дорогой и ответственный узел легкового автомобиля — кузов. Он определяет не только основные потребительские свойства (скорость, комфорт, эстетическое восприятие автомобиля в целом и т.д.), но и безопасность водителя и пассажиров [1]. Никто также не будет спорить, что лазерный раскрой позволяет улучшить качество ряда изготавливаемых деталей, а  лазерная сварка и пайка не только улучшают конструкционные характеристики автомобиля  и внешний вид сварного шва, но и сокращают время технологических циклов. Однако понятно, что внедрение новых технологических процессов в поточное производство связано с применением новых конструкционных материалов, с изменениями как в проектной документации, так и в дизайне автомобиля, а также с проведением огромного количества испытаний и согласований. Во многом поэтомуи российские, и мировые  автомобильные концерны не имеют возможности  быстро внедрять новые технологии в производство. От первого появления идеи до внедрения новой технологии в поточные линии может пройти и три и четыре года. К сожалению, российские автогиганты по-прежнему отстают  от мировой практики, несмотря на то, что начали использовать лазерные технологии. Данный обзор содержит примеры внедрения лазерных технологий в мировом автомобилестроении (по материалам журнала Industrial Laser Solutions  [2] ).

В автомобильной промышленности лазеры используются в следующих приложениях: раскрой на стадии заготовки, лазерная маркировка деталей, сварка, пайка. Первые два процесса уже получили распространение на автомобильных производствах России. Технологии лазерной сварки и пайки пока остаются на стадии проработки и изучения, но в поточные линии не внедрены.

РЕЗКА. Выбор оборудования

Марка американских грузовиков Freightliner в России знакома многим, но мало кто знает, что в производстве кабин этих тяжеловозов лазерные технологии начали использоваться с 90-х годов прошлого века. Тогда  это была сварка алюминиевых деталей кабины с помощью 4 кВт Nd:YAG лазера, ставшая практически ноу-хау производителей. В начале нового тысячелетия Freightliner внедрил наплавку, а теперь и раскрой листового металла. 

Сегодня Freightliner LLC (с 1981 г. входит в концерн Даймлер-Бенц) является крупнейшим производителем тяжелых грузовиков в Северной Америке, известен как производитель средних грузовиков, и школьных автобусов, а также шасси под заказ. Freightliner производит полный спектр компонентов и запасных частей от деталей кузова, штампованных из листового металла, до тяжелых литых деталей шасси. Заводы имеют полный комплект собственного оборудования и станков: лазерные, координатно-пробивные,  сварочное оборудование, оборудование для нанесения  покрытий электролитическим методом, линии окрашивания и многое другое. На производстве установлено 10 лазеров, первый из которых появился в 1994 году, а два наиболее новых лазера Mitsubishi в 2006 году.

Выбор лазерного оборудования был сделан сотрудниками завода после тщательного анализа.  В 2004 году на заводе был образован комитет для решений задач, типичных для любого производства: рост производительности, сокращение затрат на обслуживание устаревающего оборудования, времени простоев и т.д. Помимо увеличения скорости резки, надежности и простоты обслуживания, заводчане поставили задачу найти  компанию интегратора, способную не просто поставить новое оборудование, но и оказать услуги по ремонту и обслуживанию уже имеющегося.

В комитет вошли представители инженерных, эксплуатационных и ремонтных  служб всех предприятий концерна, которые составили списки  из обязательных и желательных позиций и список рассматриваемых производителей. Далее была проделана работа по сверке позиций, результатом которой стали окончательные рекомендации по закупкам.

Была предпринята серия поездок, чтобы посмотреть оборудование в работе. Одна из них совпала с остановкой станка для ремонта. Члены комитета увидели открытый резонатор, который им не понравился. На другом предприятии положительное впечатление оставила система управления и автоматизация погрузки – разгрузки станка. На заводе со станком Mitsubishi, члены комиссии отметили простоту обслуживания, актуальные для Freightliner решения, позволяющие избежать проблем с фокусировкой. Особенное впечатление произвело сообщение владельца предприятия о ежегодном апгрейде лазеров и полной окупаемости такого подхода. 

На основании полученной информации был проведен сравнительный анализ технических и эксплуатационных характеристик и составлен отчет. В 2006 году была проведена закупка 2 и 4 кВт лазерных станков Mitsubishi.

Новые лазеры были способны резать более толстые материалы с более высокой скоростью, что позволило Freightliner начать планировать следующую замену старых станков.

СВАРКА И ПАЙКА

При разработке новой модели кабриолета С70 у концерна Volvo возросли требования к прочностным и конструкционным характеристикам модели, и прежде всего к его кузову. 

Кузов является основным несущим элементом, воспринимающим нагрузку, которая передается ему от колес через элементы подвески. Кроме того, на кузов действуют силы тяжести самого автомобиля, водителя и пассажиров, а также давление ветра. В процессе эксплуатации кузов также подвергается действию атмосферных осадков. Наряду с этим форма кузова, его поверхность и окраска должны отвечать современным эстетическим требованиям. И все эти проблемы встали особенно остро перед разработчиками С70.

Для создания модели была разработана совершенно новая структура кузова, и разработчикам и технологам пришлось подумать о внедрении в поточную линию новых технологических процессов сборки, одним из которых стала лазерная сварка и пайка, позволившая получить косметически идеальный шов, не требующий шлифовки. 

С70 разрабатывалась не на базе 850 платформы, на которой была построена предыдущая модель Volvo, а на базе также уже существовавшей платформы С1/Р1, используемой для Ford Focus и Mazda 3. Одной из проблем оказалось создание трехсекционной складной жесткой крыши, поскольку С70 была призвана заменить старые модели купе и кабриолета, соединив в себе все их преимущества. Новый проект, от разработки продукта, проектирования, дизайна и до производства, был осуществлен совместным предприятием Volvo Cars и итальянской Pininfarina. Производство разместилось на шведском заводе в Uddevalla, прежде выпускавшем старую модель С70. Именно на базе этого завода решили внедрить новые технологии лазерной сварки и пайки, позволившие сделать качественный скачок в технологии производства.

Улучшенный дизайн, использование в кузове в качестве конструкционного материала высокопрочной стали, наличие почти 11 м лазерной сварки и 0,2 м лазерной пайки – все это позволило добиться поразительных результатов с точки зрения конструкционных и прочностных характеристик нового автомобиля. Угловая жесткость кузова на скручивание увеличилась в 2,5 раза по сравнению со старой С70, при этом собственная масса была снижена в 2,7 раза. Ключевые элементы, отвечающие за угловую жесткость – это порог, передняя рама бокового стекла, переднее и заднее ребра жесткости, задний фартук.

Лазерная сварка была применена в четырех процессах, лазерная пайка в одном. В каждом конкретном случае был разработан отдельный подход к применению лазера (Таблица 1).

Таблица 1

Применение лазера для сварки верхнего и нижнего швов, соединяющих внешнюю и внутреннюю часть порога, позволило внести существенные изменения в конструкцию самого порога, уменьшив размер свариваемых бортиков, при этом увеличив поперечное сечение порога

Получение качественного сварного шва при доступе с одной (внешней) стороны дало возможность применить лазер при сварке заднего крыла с внешней частью порога, а лазерную пайку – для соединения наружной части стойки  рамы с поперечным ребром жесткости лобового стекла.

Лазерная установка Permanova

Сначала запланированный выпуск был на довольно низком уровне – лишь 17000 машин в год, что, правда, было в два раза больше, чем выпуск предыдущей модели. Таким образом, продолжительное время цикла, немногим более 4 минут, сделало возможным применение лазеров для сварки кузова.

Интегратором лазерного сварочного поста стала компания Permanova Lasersystem (разработчик лазерного проекта предыдущей модели). Пост был оборудован 4 кВт Ng:YAG лазером с ламповой накачкой производства  TRUMPF, оснащенного четырьмя выходными волокнами для доставки лазерного излучения до места сварки и одним запасным волокном для быстрой замены в случае выхода волокна из строя. На волокна были установлены четыре различные головки, размещенные на три робота АВВ.

Первые два робота с каждой стороны сваривали верхний и нижний шов порожка. Каждый из них был оснащен сварочной головкой Permanova с парой прижимных роликов, способных создавать давление с силой до 1600 Н, и устройством слежения для сварки внахлест. Система следила за кромкой верхнего материала, лазерный луч наводился непосредственно на кромку. Те же головки приваривали заднее крыло внахлест с порожком. При этом один из прижимных роликов складывался, и сварка производилась в обычном режиме с одним роликом. Специалисты  знают, что толщина свариваемых деталей в этих двух процессах различна, поэтому сварочная головка была оснащена приводом, позволившим менять положение фокуса от -10 до +20 мм.

На третий робот было установлено две головки – одна сварочная головка Permanova с двумя независимыми управляемыми щупами для сварки в обоих направлениях и головка Scansonic для пайки с присадочной проволокой CuSi3.  Головка Permanova использовалась для сварки верхней части передней стойки рамы ветрового стекла к штампованной стойке, а головка Scansonic  - для пайки верхней части стойки к поперечному усилителю. Этот шов располагается на видимой части кузова. Результат пайки не требует дополнительных операций зачистки и шлифовки и остается на автомобиле «как есть» после пайки.

Время лазерного цикла 250 с было значительно сокращено – до 204 с благодаря оптимизации переключения лазерного излучения с одной головки на другую, когда в момент окончания одного шва другой робот уже находился в стартовой позиции.

Проблемы интеграции

В проекте с С70 VolvoCars и Peninfarina столкнулись с рядом задач, каждая из которых была «номером первым».

• Трехсекционная жесткая крыша, призванная совместить черты старого купе и кабриолета;
• Переход от старой 850 платформы к платформе C1/P1 Ford/Mazda;
• Внедрение лазерной пайки с присадочной проволокой в поточную линию;
• Внедрение в поточную линию лазерной сварки довольно толстостенных деталей, от которых сильно зависят прочностные характеристики автомобиля;
• Вновь использование двух лазерных процессов в кузовном производстве (в производстве старой модели С70 использовались резка и сварка в одном лазерной посту).

Ларс Эрик Янссон, ведущий специалист в проекте нового С70, отметил, что с точки зрения автомобилестроения, основные проблемы должны быть связаны с разработкой самого автомобиля, а не с изобретением и применением новых потенциально рискованных технологических процессов. Однако он добавил, что лазерные процессы (сварка и пайка) были несомненно ключевыми во всей истории с новой моделью, Таким образом Volvo/Peninfarina добились нескольких значимых результатов.

• Технически и коммерчески оправданный менеджмент лазерного проекта со стороны проверенного интегратора;
• Применение инновационного подхода к разработке и использованию лазерного инструментария;
• Профессиональные  знания и подход интегратора к управлению всеми частями системы, включая лазерные процессы и связь с системами управления поточной линией;
• Высоко квалифицированная поддержка со стороны интегратора с коротким временем реакции на запросы.

Основными требованиями к интегратору оказались гибкость подхода к проектированию системы и инструментария и их скорость реакции на изменения в проекте. Например, третий робот интеграторам пришлось добавить практически в последнюю минуту, чтобы реализовать последние изменения в дизайне кузова, а запуск и вывод на запланированную производительность новой линии потребовали от интегратора внеплановых работ во внеурочное вечернее время и в выходные дни для проведения многочисленных тестов.

В целом Volvo/Peninfarina считают проект успешным. В результате не только была создана поточная линия для производства нового кабриолета  С70 с жесткой крышей, но и модифицированы лазерные головки, созданы автоматизированные системы фокусировки, позволившие адаптировать параметры фокусировки под сварку  материалов различной толщины. Разработчики добились использования оптимального количества инструментов и сокращения ЗИПа.

Недостатки лазерной сварки

• Высокие инвестиционные затраты на полностью оснащенную роботизированную лазерную сварочную ячейку. Поэтому очень важно, чтобы новый дизайн кузова позволил бы получить более высокие прочностные характеристики и потребительские  качества, чтобы  оправдать эти вложения.
• Более высокие требования к допускам свариваемых деталей при лазерной сварке. К пайке это, надо сказать, не относится. Скорее наоборот, процесс пайки с наведением на стык позволяет соединять детали с довольно низкими допусками.
• Поскольку лазерная сварка – довольно новый метод, не все методики ремонта швов пригодны, имеются специфические технологии, которыми и следует пользоваться.

Автопроизводители, использующие лазерную сварку и пайку

В основном лазерная сварка применяется для внутренних соединений. Внешние же швы, для которых важна как прочность, так и косметика, - крыша, багажник и т.д. - выполняются  методом лазерной пайки.

Хотя первую строку в списке пока занимают европейские автоконцерны, от Европы не отстают и Азия и Северная Америка. В  этот список входят Nissan, Toyota, Hyundai, так же как GM, Ford Motor Co.,  DaimlerChrysler.

Например, в моделях ряда Ford 500® и Freestyle® используется сварка крыши, а в настоящее время Ford рассматривает внедрение сварочных технологий в поточную линию модели пикапа F-150® с годовым объемом выпуска 850 000 шт.

Возвращаясь к европейским производителям, надо отметить деятельность концернаVolkswagen (VW). Несмотря на то что они несколько опоздали с внедрением лазерных технологий в производство по сравнению с Volvo Cars и BMW, но успешно перешагнули через этап использования СО2 лазеров и в 1990 году сразу внедрили более эффективные Nd:YAG. Например, в пятой модели Golf® около 70 м лазерного шва.

Хотя первоначально и до сих пор широко используются лазеры с ламповой накачкой, надо заметить, что в настоящее время европейские производители переходят на волоконные лазеры.

Мария Степанова,к.ф.м.н.,[email protected]

Литература

1. Журнал "Автомобильная промышленность", 2004 год, № 12       УДК 629.114.6:11.011.5/.7  А. Н. Пушков, к. т. Н.  Д.Г. Рузаев, ВАЗ  
2. Industrial Laser Solutions # 4, 2008

mirprom.ru

Оглавление

Студент 1

Научный руководитель 1

Оглавление 2

Введение 4

1.Применение лазеров в науке 5

Измерение расстояния до Луны 5

Лазерный пинцет 6

Фотохимия 7

2.Применение лазеров в промышленности 8

Лазерный луч в роли сверла 8

Лазерная резка 9

Лазерная сварка 11

Лазерная маркировка и гравировка 12

Лазерная очистка 13

3.Применение лазеров в вооружении 14

Лазерное оружие 14

Лазерный прицел 15

Лазерное наведение 15

4.Использование лазеров в информационных технологиях 16

Лазерные компакт-диски 16

CD (Compact Disc) 17

DVD (Digital Versatile Disc) 17

Blu-ray Disc 18

Считывание информации 19

Blu-ray проигрыватели 19

5.Применение лазеров в медицине 21

Хирургия 21

Косметическая хирургия 23

Офтальмология 23

Стоматология 24

6.Применение лазеров в быту 26

Лазерный принтер 26

Принцип работы лазерного принтера 26

Лазерная указка 28

Считыватели штрих-кодов 29

Лазерная охранная система 30

Лазерное шоу 31

Заключение 32

Литература 33

Введение

С момента своего изобретения лазеры зарекомендовали себя как «готовые решения ещё не известных проблем». Исключительно быстрые темпы развития послужили причиной глубокого проникновения лазеров во многие отрасли народного хозяйства. По сути, лазер стал одним из самых значимых изобретений 20-го века. В чем же причина удивительных свойств лазерного луча?

Для объяснения этих свойств в научном языке есть специальный термин - когерентность. В лазере гигантское количество атомов-излучателей высвечива­ется согласованно — в результате возникает внутренне упорядоченный световой поток, иными словами, когерентный световой пучок.

В силу уникальных свойств излучения лазеров, они широко применяются во многих отраслях науки и техники, а также в быту, вооружении и в медицине. Большинство из перечисленных выше областей применения лазеров представляет собой самостоятельные и обширные разделы, которые требует, естественно, самостоятельного рассмотрения. Цель приведенного здесь краткого и неполного перечня применений лазеров - проиллюстрировать то громадное влияние, которое оказало появление лазеров на развитие науки и техники, на жизнь современного общества в целом.

1. Применение лазеров в науке Измерение расстояния до Луны

В наше время измерение расстояния от земли до Луны было выполнено с помощью метода лазерной локации. Суть этого метода заключается в следующем. На поверхности Луны устанавливается уголковый отражатель - устройство в виде прямоугольноготетраэдрасо взаимно перпендикулярными отражающими плоскостями. Излучение, попавшее в уголковый отражатель, отражается в строго обратном направлении.

Рисунок 1. Уголковый отражатель

С Земли с помощью лазера на зеркало отражателя направляется лазерный луч. При этом точно фиксируется время, когда сигнал был излучён. Отражённый от прибора на Луне свет в течение примерно одной секунды возвращается в телескоп, далее проходит через систему фильтрации для получения фотонов на нужной длине волны и для отсева шумов. Определив точное время, за которое луч света проходит расстояние от Земли до Луны и обратно, можно установить расстояние от источника излучения до отражателя.

С помощью метода лазерной локации расстояние от Земли до Луны определено с точностью до нескольких километров. Максимальная точность измерения в настоящее время - 2-3 сантиметра! В среднем расстояние от Земли до Луны составляет 384 403 км.

studfiles.net

Реферат - Применение лазера - Электрофизика

Одним из крупнейших достижений науки и техники XX века, наряду с другими открытиями, является создание генераторов индуцированного электромагнитного излучения – лазеров. В основу их работы положено явление усиления электромагнитных колебаний при помощи вынужденного, индуцированного излучения атомов и молекул, которое было предсказано еще в 1917 г. Альбертом Эйнштейном при изучении им равновесия между энергией атомных систем и их излучением. С этого времени, пожалуй, и начинается история создания лазеров. Однако в то время никто не обратил внимания на принципиальную ценность этого явления. Никому не были известны способы получения индуцированного излучения и его использования. В 1940 г., анализируя спектр газового разряда, советский ученый В.А. Фабрикант указал, что, используя явление индуцированного излучения, можно добиться усиления света. В 1951 г., совместно с учеными Ф.А. Бутаевой и М.М. Вудынским, он провел первые опыты в этом направлении. В 1952 г. ученые трех стран одновременно — в Советском Союзе Н.Г. Басов и А.М. Прохоров, в Соединенных Штатах Америки Ч. Таунс, Дж. Гордон, X. Цайгер и в Канаде Дж. Вебер — независимо друг от друга предложили основанный на использовании явления индуцированного излучения новый принцип генерации и усиления сверхвысокочастотных электромагнитных колебаний. Это позволило создать квантовые генераторы сантиметрового и дециметрового диапазонов, известные сейчас под названием мазеров, которые обладали очень высокой стабильностью частоты. Использование мазеров в качестве усилителей позволило повысить чувствительность приемной радиоаппаратуры в сотни раз. Сначала в квантовых генераторах использовались двухуровневые энергетические системы и пространственная сортировка молекул с различными энергетическими уровнями в неоднородном электрическом поле. В 1955 г. Н. Г. Басов и А. М. Прохоров предложили использовать для получения неравновесного состояния частиц трехуровневые энергетические квантовые системы и внешнее электромагнитное поле для возбуждения. В 1958 г. была рассмотрена возможность применения этого метода для создания генераторов оптического диапазона (в СССР — Н.Г. Басов. Б.М. Вул, Ю. М.Попов, А. Н. Прохоров; в США — Ч. Таунс и А. Шавлов). Опираясь на результаты этих исследований, Т. Мейман (США) в декабре 1960 г. построил первый успешно работавший оптический квантовый генератор, в котором в качестве активного вещества был использован синтетический рубин. С созданием оптического квантового генератора на рубине возникло слово «лазер». Это слово составлено из первых букв английского выражения: «light amplification by stimulated emission of radiation» (laser), что в переводе означает «усиление света с помощью индуцированного излучения». Рубиновый лазер работал в импульсном режиме. Его излучение относилось к красной области видимого диапазона. Возбуждение осуществлялось мощным источником света. Через год, в 1961 г., американские ученые А. Джаван, В. Беннет и Д. Герриотт построили газовый лазер, в котором в качестве активного вещества применялась смесь газов гелия и неона. Возбуждение активного вещества лазера производилось электромагнитным полем высокочастотного генератора. Режим работы этого лазера был непрерывным. В 1962 г. в Советском Союзе и в Соединенных Штатах Америки получили индуцированное излучение в полупроводниковом диоде, что означало создание полупроводникового лазера. Впервые на возможность использования полупроводников в качестве активного вещества в лазерах указали еще в 1959 г. советские ученые Н. Г. Басов, Б. М. Вул, Ю. М. Попов. Большая заслуга в создании полупроводникового лазера принадлежит также американскому ученому Р. Холлу. Полупроводниковый лазер возбуждается непосредственно электрическим током. Он работает как в импульсном, так и в непрерывном режиме. В настоящее время в качестве рабочих веществ в лазерах используются самые различные материалы. Генерация получена более чем на ста веществах: кристаллах, активированных стеклах, пластмассах, газах, жидкостях, полупроводниках, плазме. Рабочим веществом могут служить органические соединения, активированные ионами редкоземельных элементов. Удалось получить генерацию с использованием обычных паров воды и даже воздуха. Создан новый класс газовых лазеров — так называемые ионные лазеры. Рабочий диапазон существующих оптических квантовых генераторов изменяется от ультрафиолетового излучения с длиной волны 0,3 мкм до инфракрасного с длиной волны 300 мкм. В чем же все-таки главная ценность этих приборов? В том, что излучение лазеров обладает рядом замечательных свойств. В отличие от света, испускаемого обычными источниками, оно когерентно в пространстве и времени, монохроматично, распространяется очень узким пучком и характеризуется чрезвычайно высокой концентрацией энергии, которая еще недавно казалась фантастической. Это дает возможность ученым использовать световой луч лазера в качестве тончайшего инструмента для исследований различных веществ, выяснения особенностей строения атомов и молекул, уточнения природы их взаимодействия, определения биологической структуры живых клеток. С помощью луча лазера можно передавать сигналы и поддерживать связь как в земных условиях, так и в космосе принципиально на любых расстояниях. Лазерные линии связи позволяют передавать одновременно значительно большее количество информации по сравнению с традиционными линиями связи, даже самыми совершенными. Кроме того при этом практически к нулю сводятся внешние помехи. Развитие современных технологий, многих отраслей промышленности, науки и техники, медицины сегодня трудно себе представить без применения лазеров и устройств на их основе.

Глава 1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ЛАЗЕРА

Лазеры обычно называют оптическими квантовыми генераторами. Уже из этого названия видно, что в основе работы лазеров лежат процессы, подчиняющиеся законам квантовой механики. Согласно квантово-механическим представлениям, атом, как, впрочем, и другие частицы (молекулы, ионы и др.) поглощают и излучают энергию определёнными порциями – квантами. При обычных условиях в отсутствии каких-либо внешних воздействий атом находится в невозбуждённом состоянии, соответствующем наиболее низкому из возможных энергетическому уровню. В таком состоянии атом не способен излучать энергию. При поглощении кванта энергии атом переходит на более высокий энергетический уровень, то есть возбуждается. Переход атома с одного энергетического уровня на другой происходит дискретно, минуя все промежуточные состояния. Время нахождения атома в возбуждённом состоянии ограничено и в большинстве случаев невелико. Излучая энергию атом переходит снова в основное состояние. Этот переход осуществляется самопроизвольно, в отличие от процесса поглощения квантов, которое является вынужденным (индуцированным). Лазеры генерируют излучение в инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой областях спектра, что соответствует диапазону электромагнитных волн, называемому светом. В связи с этим наиболее интересным представляется рассмотрение механизма взаимодействия атомов именно с этой частью спектра электромагнитных излучений. Свет, как известно, имеет двойственную природу: с одной стороны – это волна, характеризующаяся определённой частотой, амплитудой и фазой колебаний, с другой стороны – поток элементарных частиц, называемых фотонами. Каждый фотон представляет собой квант световой энергии. Энергия фотона прямо пропорциональна частоте световой волны, которая, в свою очередь, определяет цвет светового излучения. Поглощая фотон, атом переходит с более низкого энергетического уровня на более высокий. При самопроизвольном переходе на более низкий уровень атом испускает фотон. Для атомов конкретного химического элемента разрешены только совершенно определённые переходы между энергетическими уровнями. В следствие этого атомы поглощают только те фотоны, энергия которых в точности соответствует энергии перехода атома с одного энергетического уровня на другой. Визуально это проявляется в существовании для каждого химического элемента индивидуальных спектров поглощения, содержащих определённый набор цветных полос. Фотон, испускаемый атомом при переходе на более низкий энергетический уровень, так же обладает совершенно определённой энергией, соответствующей разности энергий между энергетическими уровнями. По этой причине атомы способны излучать световые волны только определённых частот. Этот эффект наглядно проявляется при работе люминесцентных ламп, часто используемых в уличной рекламе. Полость такой лампы заполнена каким-либо инертным газом, атомы которого возбуждаются ультрафиолетовым излучением, которое возникает при пропускании электрического тока через специальный слой, покрывающий внутреннюю поверхность оболочки лампы. Возвращаясь в основное состояние атомы газа дают свечение определённого цвета. Так, например, неон даёт красное свечение, а аргон – зелёное. Самопроизвольные (спонтанные) переходы атомов с более высокого энергетического уровня на более низкий носят случайный характер. Генерируемое при этом излучение не обладает свойствами лазерного излучения: параллельностью световых пучков, когерентностью (согласованностью амплитуд и фаз колебаний во времени и пространстве), монохромностью (строгой одноцветностью). Однако, ещё в 1917 году Альберт Эйнштейн предсказал существование наряду со спонтанными переходами на более низкий энергетический уровень индуцированных переходов. В последствии эта возможность была реализована в конструкции лазеров. Сущность этого явления состоит в том, что фотон светового потока, встречая на своём пути возбуждённый атом выбивает из него фотон с точно такими же характеристиками. В результате число одинаковых фотонов удваивается. Вновь образовавшийся фотон, в свою очередь, способен генерировать ещё один фотон, выбивая его из другого возбуждённого атома. Таким образом, число одинаковых фотонов лавинообразно нарастает. Генерируемое при этом излучение характеризуется высокой степенью параллельности пучков светового потока, когерентности и монохромности, так как в нём присутствуют только те фотоны, которые обладают одинаковой энергией и направлением движения. Очевидно, что индуцированное излучение может возникать только в тех системах, где число возбуждённых атомов достаточно велико. На практике число возбуждённых атомов должно превышать 50% от общего числа атомов в системе. В равновесных системах достижение этого условия невозможно, так как число переходов с ниже лежащего уровня на выше лежащий равно числу обратных переходов. Для получения эффекта индуцированного излучения систему необходимо перевести в неравновесное, а, следовательно, неустойчивое состояние. Кроме того интенсивность внешнего светового потока, предоставляющего исходные фотоны для начала процесса так же должна быть достаточной. Рассмотрим каким образом реализуются эти требования на примере конструкции лазера, построенного с использованием искусственно выращенного кристалла рубина, называемого, обычно, рубиновым лазером. Лазер состоит из трех основных частей: активного (рабочего) вещества, резонансной системы, представляющей две параллельные пластины с нанесенными на них отражающими покрытиями, и системы возбуждения (накачки), в качестве которой обычно используется ксеноновая лампа-вспышка с источником питания (рис. 1).

Рис 1. Схема рубинового лазера.

Рубин представляет собой окись алюминия, в которой часть атомов алюминия замещена атомами хрома (Al2O3*Cr2O3) Активным веществом служат ионы хрома Cr3+. От содержания хрома в кристалле зависит его окраска. Обычно используется бледно-розовый рубин, содержащий около 0,05% хрома. Рубиновый кристалл выращивают в специальных печах, затем полученную заготовку отжигают и обрабатывают, придавая ей форму стержня. Длина стержня колеблется от 2 до 30 см, диаметр от 0,5 до 2 см. Плоские торцовые концы делают строго параллельными, шлифуют и полируют с высокой точностью. Иногда отражающие поверхности наносят не на отдельные отражающие пластины, а непосредственно на торцы рубинового стержня. Поверхности торцов серебрят, причем поверхность одного торца делают полностью отражающей, другого — отражающей частично. Обычно коэффициент пропускания света второго торца составляет около 10—25%, но может быть и другим. Рубиновый стержень помещают в спиральную импульсную ксеноновую лампу, витки которой охватывают его со всех сторон. Вспышка лампы длится миллисекунды. За это время лампа потребляет энергию в несколько тысяч джоулей, большая часть которой уходит на нагревание прибора. Другая, меньшая часть, в виде голубого и зеленого излучения поглощается рубином. Эта энергия и обеспечивает возбуждение ионов хрома. На рис. 2 представлена энергетическая диаграмма, поясняющая принцип работы рубинового лазера. Линии 1, 2, 3 соответствуют энергетическим уровням ионов хрома.

Рис 2. Схема энергетических уровней рубинового лазера.

В нормальном, невозбужденном состоянии ионы хрома находятся на нижнем уровне 1. При облучении рубина светом ксеноновой лампы, содержащим зеленую часть спектра, атомы хрома возбуждаются и переходят на верхний уровень 3, соответствующий поглощению света длиной волны 5600 А. Ширина полосы поглощения этого уровня составляет около 800 А. С уровня 3 часть возбужденных атомов хрома снова возвращается на основной уровень 1, а часть переходит на уровень 2. Это так называемый безызлучательный переход, при котором ионы хрома отдают часть своей энергии кристаллической решетке в виде тепла. Вероятность перехода с уровня 3 на уровень 2 в 200 раз больше, а с уровня 2 на уровень 1 в 300 раз меньше, чем с уровня 3 на уровень 1. Это приводит к тому, что уровень 2 оказывается более заселенным, чем уровень 1. Иными словами, заселенность получается инверсной и создаются необходимые условия для интенсивных индуцированных переходов. Такая система крайне неустойчива. Вероятность спонтанных переходов в любой момент времени очень велика. Первый же фотон, появившийся при спонтанном переходе, по закону индуцированного излучения выбьет из соседнего атома второй фотон, переведя излучивший атом в основное состояние. Далее эти два фотона выбьют еще два, после чего их будет четыре, и т. д. Процесс нарастает практически мгновенно. Первая волна излучения, дойдя до отражающей поверхности, повернет обратно и вызовет дальнейшее увеличение числа индуцированных переходов и интенсивности излучения. Отражение от отражающих поверхностей резонатора повторится многократно, и если потери мощности при отражении, вызываемые несовершенством отражающих покрытий, а также полупрозрачностью одного из торцов стержня, через который уже в начале генерации будет вырываться поток излучения, не будут превосходить той мощности, которую приобретает в результате начавшейся генерации формирующийся в стержне лазера луч, то генерация будет нарастать, а мощность увеличиваться до тех пор, пока большинство возбужденных частиц активного вещества (ионов хрома) не отдадут свою энергию, приобретенную в момент возбуждения. Через частично посеребренный торец стержня вырвется луч очень высокой интенсивности. Направление луча будет строго параллельно оси рубина. Те фотоны, направление распространения которых в начале их возникновения не совпало с осью стержня, уйдут через боковые стенки стержня, не вызвав сколько-нибудь заметной генерации. Именно многократное прохождение образованной световой волны между торцовыми стенками резонатора без какого-либо существенного отклонения от оси стержня обеспечивает лучу строгую направленность и огромную выходную мощность.

глава 2. ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ЛАЗЕРОВ

Уникальные свойства лазерного луча, многообразие конструкций современных лазеров и устройств на их основе обуславливают широкое применение лазерных технологий в различных областях человеческой деятельности: промышленности, науке, медицине и быту. Появление лазеров и внедрение их во многие отрасли промышленности и науки произвело в этих отраслях в буквальном смысле революцию. Благодаря этому стало возможным развитие новых более эффективных технологий, повышение производительности труда, точности измерений и качества обработки материалов. Рассмотрим здесь лишь наиболее важные области применения лазерной техники.

2.1 Применение лазеров в промышленности

Сразу же после появления лазеров и начала исследования взаимодействия лазерного луча с различными материалами стало ясно, что этот инструмент может найти широкое применение в разнообразных промышленных технологических процессах. Дело в том, что лазерный импульс несёт в себе огромный запас энергии (рубиновый лазер при кратковременном импульсе может достичь мощности в несколько миллиардов ватт. При попадании подобного луча на поверхность материала он вызывает мгновенное разогревание этой поверхности вплоть до испарения даже очень тугоплавкого материала. Это обстоятельство используется при сверлении отверстий в твердых материалах, резке и сварке металлов и пластмасс, заточке режущих инструментов, в том числе изготовленных из сверхтвердых сплавов. Сверление отверстий в алмазных фильерах при помощи традиционных способов занимает около двух часов. Этот же процесс, осуществляемый при помощи лазерной установки, длится не более 0,1секунд. Для того чтобы прожечь стальную пластинку толщиной 1 мм лучом лазера, достаточно импульса длительностью в одну тысячную секунды с энергией 0,5 дж. В результате получается отверстие порядка 0,1—0,2 мм. Лучом такой же мощности можно сварить два куска фольги толщиной 0,05мм или две тонкие проволочки. Чтобы прожечь стальную пластинку толщиной до 5 мм, нужен импульс с энергией от 20 до 100 дж. В этом случае луч лазера необходимо сфокусировать в одну точку, для чего применяется система линз. Отверстия, образующиеся в металле под действием такого луча, обычно бывают довольно большого диаметра. Современная радиоэлектронная промышленность выпускает большое число разнообразных приборов и устройств от простого радиоприёмника до сверхсовременных компьютеров. Основу этих устройств составляют полупроводниковые блоки и интегральные схемы, имеющие очень небольшие размеры и тонкую структуру. Соединение отдельных блоков в единое целое часто сопряжено с определёнными трудностями. И здесь на выручку приходят лазерные технологии, позволяющие соединить между собой и с изолирующей подложкой эти тонкие узлы. Лазерный луч можно сконцентрировать в очень тонкий пучок, имеющий на малых расстояниях практически нулевую расходимость. Это позволяет сконцентрировать излучаемую энергию на очень малой площади, например, соответствующей площади контакта между блоками электронной схемы. Другой важной областью применения лазеров в промышленности можно считать использование их в различных контрольно-измерительных приборах. Луч лазера представляет собой электромагнитную волну со строго определённой длинной. Зная какое количество длин волн данного лазера укладывается в определённом отрезке, например, в одном метре, всегда можно вычислить расстояние от источника лазерного излучения до того или иного объекта. На практике это определяется по потере мощности лазерного излучения при отражении его от объекта. Отражённый луч лазера воспринимается фотоэлементом, в результате чего в анализирующей электрической цепи возникает ток, пропорциональный интенсивности отражённого луча. Лазерные установки могут быть так же использованы для контроля степени чистоты обработки поверхности материала и даже внутренней структуры этих материалов.

2.2 Использование лазеров в информационных технологиях.

Поскольку лазерное излучение является электромагнитной волной, логично было бы предположить, что лазерный луч можно использовать для передачи информации примерно так же как мы передаём информацию с помощью радиоволн. С теоретической точки зрения никаких препятствий этому нет. Но на практике такая передача информации сталкивается с существенными трудностями. Эти трудности связаны с особенностями распространения света в атмосфере. Такое распространение, как известно, в значительной степени зависит от атмосферных помех: тумана, наличия пыли, атмосферных осадков и т.п. Не смотря на то, что лазерное излучение обладает совершенно уникальными свойствами, оно так же не лишено этих недостатков. Одним из решений проблемы нейтрализации влияния атмосферных помех на распространение лазерного луча стало использование волоконно-оптических линий. Основу таких линий составляют тончайшие стеклянные трубочки (оптические волокна), уложенные в специальную непрозрачную оболочку. Конфигурация оптических волокон рассчитывается таким образом, чтобы при прохождении по ним лазерного луча возникал эффект полного отражения, что практически полностью исключает потери информации при её передаче. Волоконно-оптические линии обладают огромной пропускной способностью. По одной нитке такой линии можно одновременно передавать в несколько раз больше телефонных разговоров, чем по целому многожильному кабелю, составленному из традиционных медных проводов. Кроме того на распространение лазерного луча по волоконно-оптическим линиям не оказывают влияние практически никакие помехи. В настоящее время волоконно-оптические линии используются при передаче сигналов кабельного телевидения высокого качества, а так же для обмена информацией между компьютерами через интернет по выделенным линиям. Существуют уже и телефонные линии, построенные с использованием оптических волокон. С появлением полупроводниковых лазеров появилась возможность использования их для записи и чтения информации на информационных носителях – лазерных компакт-дисках. Лазерный диск представляет собой круглую пластинку, изготовленную из алюминия, покрытую прозрачным пластмассовым защитным слоем. В начале изготавливается так называемый мастер-диск, на который с помощью луча лазера наносится информация в двоичном представлении. Лазерный импульс возникает только тогда, когда через записывающее устройство проходит логическая единица. В момент прохождения логического нуля импульс не возникает. В результате в некоторых местах поверхности диска, которые теперь соответствуют логическим единицам в массиве информации, алюминий испаряется. Мастер-диск служит матрицей, с которой печатаются многочисленные копии, причём на копии в тех местах, где на мастер-диске были светоотражающие участки, возникают выемки, рассеивающие свет, а в тех местах, где на мастер-диске были выемки, на копии остаются светоотражающие островки. Чтение информации с компакт-диска осуществляется так же лазером, только значительно меньшей мощности. Луч лазера направляется на вращающийся с большой скоростью диск под некоторым углом. Частота лазерных импульсов синхронизирована со скоростью вращения диска. Луч лазера, попадая на светоотражающий островок, отражается от него и улавливается фотоэлементом. В результате в электрической цепи считывающего устройства возникает ток и сигнал воспринимается как логическая единица. Если же луч лазера попадает на рассеивающую свет выемку, то отраженный луч проходит мимо фотоэлемента и электрического тока в цепи считывающего устройства не возникает. В этом случае сигнал интерпретируется как логический ноль. В настоящее время лазерные компакт-диски широко используются как для хранения компьютерной информации, так и для хранения и распространения музыкальных программ, предназначенных для воспроизведения на лазерных проигрывателях.

2.3 Применение лазеров в медицине.

Совершенно особого разговора заслуживает применение лазеров в медицине. Ещё на заре развития лазерной техники медиков привлекла возможность использования лазеров в хирургии. Уже в середине 60-ых годов XX века были построены лазерные установки, которые с успехом использовались при хирургических операциях. В этих установках лазер соединен с гибким световодом, изготовленным из тончайших стеклянных или пластмассовых трубок (все те же оптические волокна). На конце световода закреплена головка с фокусирующей линзой. Световод вводится внутрь организма через небольшой разрез или другим доступным способом. Манипулируя световодом, хирург направляет луч лазера на оперируемый объект, оставляя нетронутыми соседние органы и ткани. При этом достигается высокая точность и стерильность оперативного вмешательства. При таких операциях значительно сокращается кровопотеря, что облегчает протекание послеоперационной реабилитации. Особенно широкое применение нашли лазерные инструменты в хирургии глаза. Глаз, как известно, представляет орган, обладающий очень тонкой структурой. В хирургии глаза особенно важны точность и быстрота манипуляций. Кроме того выяснилось, что при правильном подборе частоты излучения лазера оно свободно проходит через прозрачные ткани глаза, не оказывая на них никакого действия. Это позволяет делать операции на хрусталике глаза и глазном дне, не делая никаких разрезов вообще. В настоящее время успешно проводятся операции по удалению хрусталика путём испарения его очень коротким и мощным импульсом. При этом не происходит повреждение окружающих тканей, что ускоряет процесс заживления, составляющий буквально несколько часов. В свою очередь, это значительно облегчает последующую имплантацию искусственного хрусталика. Другая успешно освоенная операция – приваривание отслоившейся сетчатки. Лазеры довольно успешно применяются и в лечении таких распространённых сейчас заболеваний глаза как близорукость и дальнозоркость. Одной из причин этих заболеваний является изменение в силу каких-либо причин конфигурации роговицы глаза. С помощью очень точно дозированных облучений роговицы лазерным излучением можно исправить её изъяны, восстановив нормальное зрение. Трудно переоценить значение применения лазерной терапии при лечении многочисленных онкологических заболеваний, вызванных неконтролируемым делением видоизменённых клеток. Точно фокусируя луч лазера на скоплении раковых клеток, можно полностью уничтожить эти скопления, не повреждая здоровые клетки. Разнообразные лазерные зонды широко используются при диагностике заболеваний различных внутренних органов, особенно в тех случаях, когда применение других методов невозможно или сильно затруднено.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Приведённый выше перечень областей применения лазера является далеко не полным. Здесь не рассматриваются некоторые специальные области применения этого инструмента. Одной из таких областей является голография – объёмная фотография. Использование лазера при фотографировании позволяет получить на фотопластинке или фотобумаге закодированное в виде интерференционной картины трёхмерное изображение объекта, которое проявляется (восстанавливается) при освещении фотопластинки лучом лазера той же частоты, что использовалась при съёмке. Голография находит широкое применение в различных отраслях науки, техники, метрологии и т.п. Высокая энергия лазерного излучения позволяет использовать его при термоядерном синтезе. Как известно, такой синтез протекает только при очень высоких температурах порядка 10000 и более градусов. Получить такую температуру при помощи традиционных средств затруднительно. Лазер, а ещё лучше комбинация нескольких лазеров, позволяет достигнуть подобных температур в течение долей секунды. Использование лазеров в химии позволило осуществить те реакции, которые было невозможно провести ранее. Лазерное излучение обладает строго определённой длинной волны, а, следовательно, и энергией. Подбирая частоту лазерного луча, можно активизировать только те химические связи, энергия разрыва которых совпадает с энергией излучения лазера. Это позволяет ускорять одни химические реакции и подавлять другие, то есть проводить селективный синтез. Многообразны области применения лазеров в военном деле. На их основе создаются различные системы распознавания объектов по принципу "свой – чужой", системы самонаведения ракет и бомб. Существуют планы создания космического лазерного оружия. Постоянное совершенствование конструкции современных лазеров приводит к неуклонному расширению областей их применения. Очевидно в ближайшее время этот процесс будет продолжаться ещё более быстрыми темпами.

ЛИТЕРАТУРА

* Донина Н.М. Возникновение квантовой электроники. М.: Наука, 1974. * Квантовая электроника - маленькая энциклопедия. М.: Советская энциклопедия, 1969. * Карлов Н.В. Лекции по квантовой электронике. М.: Наука, 1988. * Тарасов Л.В. Физика процессов в генераторах когерентного оптического излучения. М.: Радио и связь, 1981. * Брюннер В., Юнге К. Справочник по лазерной технике. / Под ред. А.П. Напартовича. М.: Энергоатомиздат, 1991. * Приезжев А.В., Тучин В.В., Шубочкин Л.П. Лазерная диагностика в биологии и медицине. М.: Наука, 1989.

6

www.ronl.ru

Реферат - Применение лазера - Рефераты на репетирем.ру

НОВОНИКОЛЬСКАЯ СРЕДНЯЯ ШКОЛА

ПРИМЕНЕНИЕ

ЛАЗЕРА

РЕФЕРАТ ПО ФИЗИКЕ

УЧЕНИКА 11 КЛАССА

НОВОНИКОЛЬСКОЙ СРЕДНЕЙ ШКОЛЫ

УСТЬ-ТАРКСКОГО РАЙОНА

НОВОСИБИРСКОЙ ОБЛАСТИ

БОБА АНДРЕЯ

НОВОНИКОЛЬСК 2002 г.

ВВЕДЕНИЕ

Одним из крупнейших достижений науки и техники XX века, наряду с другими открытиями, является создание генераторов индуцированного электромагнитного излучения – лазеров. В основу их работы положено явление усиления электромагнитных колебаний при помощи вынужденного, индуцированного излучения атомов и молекул, которое было предсказано еще в 1917 г. Альбертом Эйнштейном при изучении им равновесия между энергией атомных систем и их излучением. С этого времени, пожалуй, и начинается история создания лазеров.

Однако в то время никто не обратил внимания на принципиальную ценность этого явления. Никому не были известны способы получения индуцированного излучения и его использования.

В 1940 г., анализируя спектр газового разряда, советский ученый В.А. Фабрикант указал, что, используя явление индуцированного излучения, можно добиться усиления света. В 1951 г., совместно с учеными Ф.А. Бутаевой и М.М. Вудынским, он провел первые опыты в этом направлении.

В 1952 г. ученые трех стран одновременно — в Советском Союзе Н.Г. Басов и А.М. Прохоров, в Соединенных Штатах Америки Ч. Таунс, Дж. Гордон, X. Цайгер и в Канаде Дж. Вебер — независимо друг от друга предложили основанный на использовании явления индуцированного излучения новый принцип генерации и усиления сверхвысокочастотных электромагнитных колебаний. Это позволило создать квантовые генераторы сантиметрового и дециметрового диапазонов, известные сейчас под названием мазеров, которые обладали очень высокой стабильностью частоты. Использование мазеров в качестве усилителей позволило повысить чувствительность приемной радиоаппаратуры в сотни раз. Сначала в квантовых генераторах использовались двухуровневые энергетические системы и пространственная сортировка молекул с различными энергетическими уровнями в неоднородном электрическом поле. В 1955 г. Н. Г. Басов и А. М. Прохоров предложили использовать для получения неравновесного состояния частиц трехуровневые энергетические квантовые системы и внешнее электромагнитное поле для возбуждения.

В 1958 г. была рассмотрена возможность применения этого метода для создания генераторов оптического диапазона (в СССР — Н.Г. Басов. Б.М. Вул, Ю. М.Попов, А. Н. Прохоров; в США — Ч. Таунс и А. Шавлов).

Опираясь на результаты этих исследований, Т. Мейман (США) в декабре 1960 г. построил первый успешно работавший оптический квантовый генератор, в котором в качестве активного вещества был использован синтетический рубин. С созданием оптического квантового генератора на рубине возникло слово “лазер”. Это слово составлено из первых букв английского выражения: “light amplification by stimulated emission of radiation” (laser), что в переводе означает “усиление света с помощью индуцированного излучения”.

Рубиновый лазер работал в импульсном режиме. Его излучение относилось к красной области видимого диапазона. Возбуждение осуществлялось мощным источником света.

Через год, в 1961 г., американские ученые А. Джаван, В. Беннет и Д. Герриотт построили газовый лазер, в котором в качестве активного вещества применялась смесь газов гелия и неона. Возбуждение активного вещества лазера производилось электромагнитным полем высокочастотного генератора. Режим работы этого лазера был непрерывным.

В 1962 г. в Советском Союзе и в Соединенных Штатах Америки получили индуцированное излучение в полупроводниковом диоде, что означало создание полупроводникового лазера. Впервые на возможность использования полупроводников в качестве активного вещества в лазерах указали еще в 1959 г. советские ученые Н. Г. Басов, Б. М. Вул, Ю. М. Попов. Большая заслуга в создании полупроводникового лазера принадлежит также американскому ученому Р. Холлу. Полупроводниковый лазер возбуждается непосредственно электрическим током. Он работает как в импульсном, так и в непрерывном режиме.

В настоящее время в качестве рабочих веществ в лазерах используются самые различные материалы. Генерация получена более чем на ста веществах: кристаллах, активированных стеклах, пластмассах, газах, жидкостях, полупроводниках, плазме. Рабочим веществом могут служить органические соединения, активированные ионами редкоземельных элементов. Удалось получить генерацию с использованием обычных паров воды и даже воздуха. Создан новый класс газовых лазеров — так называемые ионные лазеры.

Рабочий диапазон существующих оптических квантовых генераторов изменяется от ультрафиолетового излучения с длиной волны 0,3 мкм до инфракрасного с длиной волны 300 мкм.

В чем же все-таки главная ценность этих приборов? В том, что излучение лазеров обладает рядом замечательных свойств. В отличие от света, испускаемого обычными источниками, оно когерентно в пространстве и времени, монохроматично, распространяется очень узким пучком и характеризуется чрезвычайно высокой концентрацией энергии, которая еще недавно казалась фантастической. Это дает возможность ученым использовать световой луч лазера в качестве тончайшего инструмента для исследований различных веществ, выяснения особенностей строения атомов и молекул, уточнения природы их взаимодействия, определения биологической структуры живых клеток.

С помощью луча лазера можно передавать сигналы и поддерживать связь как в земных условиях, так и в космосе принципиально на любых расстояниях. Лазерные линии связи позволяют передавать одновременно значительно большее количество информации по сравнению с традиционными линиями связи, даже самыми совершенными. Кроме того при этом практически к нулю сводятся внешние помехи.

Развитие современных технологий, многих отраслей промышленности, науки и техники, медицины сегодня трудно себе представить без применения лазеров и устройств на их основе.

Глава 1.

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ЛАЗЕРА

Лазеры обычно называют оптическими квантовыми генераторами. Уже из этого названия видно, что в основе работы лазеров лежат процессы, подчиняющиеся законам квантовой механики. Согласно квантово-механическим представлениям, атом, как, впрочем, и другие частицы (молекулы, ионы и др.) поглощают и излучают энергию определёнными порциями – квантами. При обычных условиях в отсутствии каких-либо внешних воздействий атом находится в невозбуждённом состоянии, соответствующем наиболее низкому из возможных энергетическому уровню. В таком состоянии атом не способен излучать энергию. При поглощении кванта энергии атом переходит на более высокий энергетический уровень, то есть возбуждается. Переход атома с одного энергетического уровня на другой происходит дискретно, минуя все промежуточные состояния. Время нахождения атома в возбуждённом состоянии ограничено и в большинстве случаев невелико. Излучая энергию атом переходит снова в основное состояние. Этот переход осуществляется самопроизвольно, в отличие от процесса поглощения квантов, которое является вынужденным (индуцированным).

Лазеры генерируют излучение в инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой областях спектра, что соответствует диапазону электромагнитных волн, называемому светом. В связи с этим наиболее интересным представляется рассмотрение механизма взаимодействия атомов именно с этой частью спектра электромагнитных излучений. Свет, как известно, имеет двойственную природу: с одной стороны – это волна, характеризующаяся определённой частотой, амплитудой и фазой колебаний, с другой стороны – поток элементарных частиц, называемых фотонами. Каждый фотон представляет собой квант световой энергии. Энергия фотона прямо пропорциональна частоте световой волны, которая, в свою очередь, определяет цвет светового излучения.

Поглощая фотон, атом переходит с более низкого энергетического уровня на более высокий. При самопроизвольном переходе на более низкий уровень атом испускает фотон. Для атомов конкретного химического элемента разрешены только совершенно определённые переходы между энергетическими уровнями. В следствие этого атомы поглощают только те фотоны, энергия которых в точности соответствует энергии перехода атома с одного энергетического уровня на другой. Визуально это проявляется в существовании для каждого химического элемента индивидуальных спектров поглощения, содержащих определённый набор цветных полос. Фотон, испускаемый атомом при переходе на более низкий энергетический уровень, так же обладает совершенно определённой энергией, соответствующей разности энергий между энергетическими уровнями. По этой причине атомы способны излучать световые волны только определённых частот. Этот эффект наглядно проявляется при работе люминесцентных ламп, часто используемых в уличной рекламе. Полость такой лампы заполнена каким-либо инертным газом, атомы которого возбуждаются ультрафиолетовым излучением, которое возникает при пропускании электрического тока через специальный слой, покрывающий внутреннюю поверхность оболочки лампы. Возвращаясь в основное состояние атомы газа дают свечение определённого цвета. Так, например, неон даёт красное свечение, а аргон – зелёное.

Самопроизвольные (спонтанные) переходы атомов с более высокого энергетического уровня на более низкий носят случайный характер. Генерируемое при этом излучение не обладает свойствами лазерного излучения: параллельностью световых пучков, когерентностью (согласованностью амплитуд и фаз колебаний во времени и пространстве), монохромностью (строгой одноцветностью). Однако, ещё в 1917 году Альберт Эйнштейн предсказал существование наряду со спонтанными переходами на более низкий энергетический уровень индуцированных переходов. В последствии эта возможность была реализована в конструкции лазеров. Сущность этого явления состоит в том, что фотон светового потока, встречая на своём пути возбуждённый атом выбивает из него фотон с точно такими же характеристиками. В результате число одинаковых фотонов удваивается. Вновь образовавшийся фотон, в свою очередь, способен генерировать ещё один фотон, выбивая его из другого возбуждённого атома. Таким образом, число одинаковых фотонов лавинообразно нарастает. Генерируемое при этом излучение характеризуется высокой степенью параллельности пучков светового потока, когерентности и монохромности, так как в нём присутствуют только те фотоны, которые обладают одинаковой энергией и направлением движения.

Очевидно, что индуцированное излучение может возникать только в тех системах, где число возбуждённых атомов достаточно велико. На практике число возбуждённых атомов должно превышать 50% от общего числа атомов в системе. В равновесных системах достижение этого условия невозможно, так как число переходов с ниже лежащего уровня на выше лежащий равно числу обратных переходов. Для получения эффекта индуцированного излучения систему необходимо перевести в неравновесное, а, следовательно, неустойчивое состояние. Кроме того интенсивность внешнего светового потока, предоставляющего исходные фотоны для начала процесса так же должна быть достаточной. Рассмотрим каким образом реализуются эти требования на примере конструкции лазера, построенного с использованием искусственно выращенного кристалла рубина, называемого, обычно, рубиновым лазером.

Лазер состоит из трех основных частей: активного (рабочего) вещества, резонансной системы, представляющей две параллельные пластины с нанесенными на них отражающими покрытиями, и системы возбуждения (накачки), в качестве которой обычно используется ксеноновая лампа-вспышка с источником питания (рис. 1).

Рис 1. Схема рубинового лазера.

Рубин представляет собой окись алюминия, в которой часть атомов алюминия замещена атомами хрома (Al2O3*Cr2O3) Активным веществом служат ионы хрома Cr3+. От содержания хрома в кристалле зависит его окраска. Обычно используется бледно-розовый рубин, содержащий около 0,05% хрома. Рубиновый кристалл выращивают в специальных печах, затем полученную заготовку отжигают и обрабатывают, придавая ей форму стержня. Длина стержня колеблется от 2 до 30 см, диаметр от 0,5 до 2 см. Плоские торцовые концы делают строго параллельными, шлифуют и полируют с высокой точностью. Иногда отражающие поверхности наносят не на отдельные отражающие пластины, а непосредственно на торцы рубинового стержня. Поверхности торцов серебрят, причем поверхность одного торца делают полностью отражающей, другого — отражающей частично. Обычно коэффициент пропускания света второго торца составляет около 10—25%, но может быть и другим.

Рубиновый стержень помещают в спиральную импульсную ксеноновую лампу, витки которой охватывают его со всех сторон. Вспышка лампы длится миллисекунды. За это время лампа потребляет энергию в несколько тысяч джоулей, большая часть которой уходит на нагревание прибора. Другая, меньшая часть, в виде голубого и зеленого излучения поглощается рубином. Эта энергия и обеспечивает возбуждение ионов хрома.

На рис. 2 представлена энергетическая диаграмма, поясняющая принцип работы рубинового лазера. Линии 1, 2, 3 соответствуют энергетическим уровням ионов хрома.

Рис 2. Схема энергетических уровней рубинового лазера.

В нормальном, невозбужденном состоянии ионы хрома находятся на нижнем уровне 1. При облучении рубина светом ксеноновой лампы, содержащим зеленую часть спектра, атомы хрома возбуждаются и переходят на верхний уровень 3, соответствующий поглощению света длиной волны 5600 А. Ширина полосы поглощения этого уровня составляет около 800 А.

С уровня 3 часть возбужденных атомов хрома снова возвращается на основной уровень 1, а часть переходит на уровень 2. Это так называемый безызлучательный переход, при котором ионы хрома отдают часть своей энергии кристаллической решетке в виде тепла. Вероятность перехода с уровня 3 на уровень 2 в 200 раз больше, а с уровня 2 на уровень 1 в 300 раз меньше, чем с уровня 3 на уровень 1. Это приводит к тому, что уровень 2 оказывается более заселенным, чем уровень 1. Иными словами, заселенность получается инверсной и создаются необходимые условия для интенсивных индуцированных переходов.

Такая система крайне неустойчива. Вероятность спонтанных переходов в любой момент времени очень велика. Первый же фотон, появившийся при спонтанном переходе, по закону индуцированного излучения выбьет из соседнего атома второй фотон, переведя излучивший атом в основное состояние. Далее эти два фотона выбьют еще два, после чего их будет четыре, и т. д. Процесс нарастает практически мгновенно. Первая волна излучения, дойдя до отражающей поверхности, повернет обратно и вызовет дальнейшее увеличение числа индуцированных переходов и интенсивности излучения. Отражение от отражающих поверхностей резонатора повторится многократно, и если потери мощности при отражении, вызываемые несовершенством отражающих покрытий, а также полупрозрачностью одного из торцов стержня, через который уже в начале генерации будет вырываться поток излучения, не будут превосходить той мощности, которую приобретает в результате начавшейся генерации формирующийся в стержне лазера луч, то генерация будет нарастать, а мощность увеличиваться до тех пор, пока большинство возбужденных частиц активного вещества (ионов хрома) не отдадут свою энергию, приобретенную в момент возбуждения. Через частично посеребренный торец стержня вырвется луч очень высокой интенсивности. Направление луча будет строго параллельно оси рубина .

Те фотоны, направление распространения которых в начале их возникновения не совпало с осью стержня, уйдут через боковые стенки стержня, не вызвав сколько-нибудь заметной генерации.

Именно многократное прохождение образованной световой волны между торцовыми стенками резонатора без какого-либо существенного отклонения от оси стержня обеспечивает лучу строгую направленность и огромную выходную мощность.

глава 2.

ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ЛАЗЕРОВ

Уникальные свойства лазерного луча, многообразие конструкций современных лазеров и устройств на их основе обуславливают широкое применение лазерных технологий в различных областях человеческой деятельности: промышленности, науке, медицине и быту. Появление лазеров и внедрение их во многие отрасли промышленности и науки произвело в этих отраслях в буквальном смысле революцию. Благодаря этому стало возможным развитие новых более эффективных технологий, повышение производительности труда, точности измерений и качества обработки материалов. Рассмотрим здесь лишь наиболее важные области применения лазерной техники.

2.1 Применение лазеров в промышленности

Сразу же после появления лазеров и начала исследования взаимодействия лазерного луча с различными материалами стало ясно, что этот инструмент может найти широкое применение в разнообразных промышленных технологических процессах. Дело в том, что лазерный импульс несёт в себе огромный запас энергии (рубиновый лазер при кратковременном импульсе может достичь мощности в несколько миллиардов ватт. При попадании подобного луча на поверхность материала он вызывает мгновенное разогревание этой поверхности вплоть до испарения даже очень тугоплавкого материала. Это обстоятельство используется при сверлении отверстий в твердых материалах, резке и сварке металлов и пластмасс, заточке режущих инструментов, в том числе изготовленных из сверхтвердых сплавов. Сверление отверстий в алмазных фильерах при помощи традиционных способов занимает около двух часов. Этот же процесс, осуществляемый при помощи лазерной установки, длится не более 0,1секунд. Для того чтобы прожечь стальную пластинку толщиной 1 мм лучом лазера, достаточно импульса длительностью в одну тысячную секунды с энергией 0,5 дж. В результате получается отверстие порядка 0,1—0,2 мм. Лучом такой же мощности можно сварить два куска фольги толщиной 0,05мм или две тонкие проволочки.

Чтобы прожечь стальную пластинку толщиной до 5 мм, нужен импульс с энергией от 20 до 100 дж. В этом случае луч лазера необходимо сфокусировать в одну точку, для чего применяется система линз. Отверстия, образующиеся в металле под действием такого луча, обычно бывают довольно большого диаметра.

Современная радиоэлектронная промышленность выпускает большое число разнообразных приборов и устройств от простого радиоприёмника до сверхсовременных компьютеров. Основу этих устройств составляют полупроводниковые блоки и интегральные схемы, имеющие очень небольшие размеры и тонкую структуру. Соединение отдельных блоков в единое целое часто сопряжено с определёнными трудностями. И здесь на выручку приходят лазерные технологии, позволяющие соединить между собой и с изолирующей подложкой эти тонкие узлы. Лазерный луч можно сконцентрировать в очень тонкий пучок, имеющий на малых расстояниях практически нулевую расходимость. Это позволяет сконцентрировать излучаемую энергию на очень малой площади, например, соответствующей площади контакта между блоками электронной схемы.

Другой важной областью применения лазеров в промышленности можно считать использование их в различных контрольно-измерительных приборах. Луч лазера представляет собой электромагнитную волну со строго определённой длинной. Зная какое количество длин волн данного лазера укладывается в определённом отрезке, например, в одном метре, всегда можно вычислить расстояние от источника лазерного излучения до того или иного объекта. На практике это определяется по потере мощности лазерного излучения при отражении его от объекта. Отражённый луч лазера воспринимается фотоэлементом, в результате чего в анализирующей электрической цепи возникает ток, пропорциональный интенсивности отражённого луча. Лазерные установки могут быть так же использованы для контроля степени чистоты обработки поверхности материала и даже внутренней структуры этих материалов.

2.2 Использование лазеров в информационных технологиях.

Поскольку лазерное излучение является электромагнитной волной, логично было бы предположить, что лазерный луч можно использовать для передачи информации примерно так же как мы передаём информацию с помощью радиоволн. С теоретической точки зрения никаких препятствий этому нет. Но на практике такая передача информации сталкивается с существенными трудностями. Эти трудности связаны с особенностями распространения света в атмосфере. Такое распространение, как известно, в значительной степени зависит от атмосферных помех: тумана, наличия пыли, атмосферных осадков и т.п. Не смотря на то, что лазерное излучение обладает совершенно уникальными свойствами, оно так же не лишено этих недостатков.

Одним из решений проблемы нейтрализации влияния атмосферных помех на распространение лазерного луча стало использование волоконно-оптических линий. Основу таких линий составляют тончайшие стеклянные трубочки (оптические волокна), уложенные в специальную непрозрачную оболочку. Конфигурация оптических волокон рассчитывается таким образом, чтобы при прохождении по ним лазерного луча возникал эффект полного отражения, что практически полностью исключает потери информации при её передаче. Волоконно-оптические линии обладают огромной пропускной способностью. По одной нитке такой линии можно одновременно передавать в несколько раз больше телефонных разговоров, чем по целому многожильному кабелю, составленному из традиционных медных проводов. Кроме того на распространение лазерного луча по волоконно-оптическим линиям не оказывают влияние практически никакие помехи. В настоящее время волоконно-оптические линии используются при передаче сигналов кабельного телевидения высокого качества, а так же для обмена информацией между компьютерами через интернет по выделенным линиям. Существуют уже и телефонные линии, построенные с использованием оптических волокон.

С появлением полупроводниковых лазеров появилась возможность использования их для записи и чтения информации на информационных носителях – лазерных компакт-дисках. Лазерный диск представляет собой круглую пластинку, изготовленную из алюминия, покрытую прозрачным пластмассовым защитным слоем. В начале изготавливается так называемый мастер-диск, на который с помощью луча лазера наносится информация в двоичном представлении. Лазерный импульс возникает только тогда, когда через записывающее устройство проходит логическая единица. В момент прохождения логического нуля импульс не возникает. В результате в некоторых местах поверхности диска, которые теперь соответствуют логическим единицам в массиве информации, алюминий испаряется. Мастер-диск служит матрицей, с которой печатаются многочисленные копии, причём на копии в тех местах, где на мастер-диске были светоотражающие участки, возникают выемки, рассеивающие свет, а в тех местах, где на мастер-диске были выемки, на копии остаются светоотражающие островки. Чтение информации с компакт-диска осуществляется так же лазером, только значительно меньшей мощности. Луч лазера направляется на вращающийся с большой скоростью диск под некоторым углом. Частота лазерных импульсов синхронизирована со скоростью вращения диска. Луч лазера, попадая на светоотражающий островок, отражается от него и улавливается фотоэлементом. В результате в электрической цепи считывающего устройства возникает ток и сигнал воспринимается как логическая единица. Если же луч лазера попадает на рассеивающую свет выемку, то отраженный луч проходит мимо фотоэлемента и электрического тока в цепи считывающего устройства не возникает. В этом случае сигнал интерпретируется как логический ноль. В настоящее время лазерные компакт-диски широко используются как для хранения компьютерной информации, так и для хранения и распространения музыкальных программ, предназначенных для воспроизведения на лазерных проигрывателях.

2.3 Применение лазеров в медицине.

Совершенно особого разговора заслуживает применение лазеров в медицине. Ещё на заре развития лазерной техники медиков привлекла возможность использования лазеров в хирургии. Уже в середине 60-ых годов XX века были построены лазерные установки, которые с успехом использовались при хирургических операциях. В этих установках лазер соединен с гибким световодом, изготовленным из тончайших стеклянных или пластмассовых трубок (все те же оптические волокна). На конце световода закреплена головка с фокусирующей линзой. Световод вводится внутрь организма через небольшой разрез или другим доступным способом. Манипулируя световодом, хирург направляет луч лазера на оперируемый объект, оставляя нетронутыми соседние органы и ткани. При этом достигается высокая точность и стерильность оперативного вмешательства. При таких операциях значительно сокращается кровопотеря, что облегчает протекание послеоперационной реабилитации.

Особенно широкое применение нашли лазерные инструменты в хирургии глаза. Глаз, как известно, представляет орган, обладающий очень тонкой структурой. В хирургии глаза особенно важны точность и быстрота манипуляций. Кроме того выяснилось, что при правильном подборе частоты излучения лазера оно свободно проходит через прозрачные ткани глаза, не оказывая на них никакого действия. Это позволяет делать операции на хрусталике глаза и глазном дне, не делая никаких разрезов вообще. В настоящее время успешно проводятся операции по удалению хрусталика путём испарения его очень коротким и мощным импульсом. При этом не происходит повреждение окружающих тканей, что ускоряет процесс заживления, составляющий буквально несколько часов. В свою очередь, это значительно облегчает последующую имплантацию искусственного хрусталика. Другая успешно освоенная операция – приваривание отслоившейся сетчатки.

Лазеры довольно успешно применяются и в лечении таких распространённых сейчас заболеваний глаза как близорукость и дальнозоркость. Одной из причин этих заболеваний является изменение в силу каких-либо причин конфигурации роговицы глаза. С помощью очень точно дозированных облучений роговицы лазерным излучением можно исправить её изъяны, восстановив нормальное зрение.

Трудно переоценить значение применения лазерной терапии при лечении многочисленных онкологических заболеваний, вызванных неконтролируемым делением видоизменённых клеток. Точно фокусируя луч лазера на скоплении раковых клеток, можно полностью уничтожить эти скопления, не повреждая здоровые клетки.

Разнообразные лазерные зонды широко используются при диагностике заболеваний различных внутренних органов, особенно в тех случаях, когда применение других методов невозможно или сильно затруднено.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Приведённый выше перечень областей применения лазера является далеко не полным. Здесь не рассматриваются некоторые специальные области применения этого инструмента. Одной из таких областей является голография – объёмная фотография. Использование лазера при фотографировании позволяет получить на фотопластинке или фотобумаге закодированное в виде интерференционной картины трёхмерное изображение объекта, которое проявляется (восстанавливается) при освещении фотопластинки лучом лазера той же частоты, что использовалась при съёмке. Голография находит широкое применение в различных отраслях науки, техники, метрологии и т.п.

Высокая энергия лазерного излучения позволяет использовать его при термоядерном синтезе. Как известно, такой синтез протекает только при очень высоких температурах порядка 10000 и более градусов. Получить такую температуру при помощи традиционных средств затруднительно. Лазер, а ещё лучше комбинация нескольких лазеров, позволяет достигнуть подобных температур в течение долей секунды.

Использование лазеров в химии позволило осуществить те реакции, которые было невозможно провести ранее. Лазерное излучение обладает строго определённой длинной волны, а, следовательно, и энергией. Подбирая частоту лазерного луча, можно активизировать только те химические связи, энергия разрыва которых совпадает с энергией излучения лазера. Это позволяет ускорять одни химические реакции и подавлять другие, то есть проводить селективный синтез.

Многообразны области применения лазеров в военном деле. На их основе создаются различные системы распознавания объектов по принципу "свой – чужой", системы самонаведения ракет и бомб. Существуют планы создания космического лазерного оружия.

Постоянное совершенствование конструкции современных лазеров приводит к неуклонному расширению областей их применения. Очевидно в ближайшее время этот процесс будет продолжаться ещё более быстрыми темпами.

ЛИТЕРАТУРА

 Донина Н.М. Возникновение квантовой электроники. М.: Наука, 1974.

 Квантовая электроника - маленькая энциклопедия. М.: Советская энциклопедия, 1969.

 Карлов Н.В. Лекции по квантовой электронике. М.: Наука, 1988.

 Тарасов Л.В. Физика процессов в генераторах когерентного оптического излучения. М.: Радио и связь, 1981.

 Брюннер В., Юнге К. Справочник по лазерной технике. / Под ред. А.П. Напартовича. М.: Энергоатомиздат, 1991.

 Приезжев А.В., Тучин В.В., Шубочкин Л.П. Лазерная диагностика в биологии и медицине. М.: Наука, 1989.

referat.store

Реферат - Применение лазеров - Физика

Доклад

по физике

На тему:

«Применение лазеров»

Ученика 11 «Б» класса

лицея № 34

г. Костромы

Кудашева Михаила

г. Кострома

2000 г.

План.

1. Введение.________________________________________________________ 1

2. Лазерный луч.____________________________________________________ 2

3. Лазерный луч в роли сверла.________________________________________ 3

4. Лазерная резка и сварка.___________________________________________ 5

5. Лазерный луч в роли хирургического скальпеля._______________________ 7

6. Лазерное оружие.________________________________________________ 1

7. Заключение.____________________________________________________ 14

8. Список литературы.____________________________________________ 14

1. Введение.

Уже самое начало XX века бы­ло отмечено величайшими достижениями человечес­кого ума. 7 мая 1895 г. на заседании Русского физико-химического общества А. С. Попов продемонстриро­вал изобретенное им устройство связи без проводов, а год спустя аналогичное устройство предложил италь­янский техник и предприниматель Г. Маркони. Так родилось радио. В конце уходящего века был создан автомобиль с бензиновым двигателем, который при­шел на смену изобретенному еще в XVIII в. паровому автомобилю. К началу XX столетия уже действовали линии метро в Лондоне, Нью-Йорке, Будапеште, Вене. 17 декабря 1903 г. американские инженеры братья Орвилл и Уилбор Райт пролетели 260 м на созданном ими первом в мире аэроплане, а через 12 лет русский инженер И. И. Сикорский сконструировал и построил первый в мире многомоторный самолет, дав ему имя «Илья Муромец».

Не менее потрясающими оказались достижения в физике. Только за одно десятилетие на рубеже двух веков было сделано пять открытий. В 1895 г. немецкий физик В. Рентген открыл новый вид излучения, на­званный позднее его именем; за это открытие он получил в 1901 г. Нобелевскую премию, став, таким образом, первым в истории нобелевским лауреатом. В 1896 г. французский физик Антуан Анри Беккерель открыл явление радиоактивности — Нобелевская пре­мия 1903 г. В 1897 г. английский физик Дж. Дж. Томсон открыл электрон и в следующем году измерил его заряд — Нобелевская премия 1906 г. 14 декабря 1900 г. на заседании Немецкого физического общества Макс Планк дал вывод формулы для испускательной спо­собности черного тела; этот вывод опирался на совер­шенно новые идеи, ставшие фундаментом квантовой теории — одной из основных физических теорий XX века. В 1905 г. молодой Альберт Эйнштейн — ему тогда было всего 26 лет — опубликовал специальную теорию относительности. Все эти открытия производили оше­ломляющее впечатление и многих повергали в за­мешательство — они никак не укладывались в рамки существовавшей физики, требовали пересмотра ее ос­новных представлений. Едва начавшись, 20-й век возвестил о рождении новой физики, обозначил не­видимую грань, за которой осталась прежняя физика, получившая название «классическая».

И вот сегодня человек получил в своё распоряжение всемогущий луч лазера. На что употребит он это новое завоевание ума? Чем станет лазер: универсальным инструментом, надёжным помощником или, напротив, грозным космическим оружием, ещё одним разрушителем?

2. Лазерный луч.

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 появился еще один источник света — лазер .

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.

В чем же причина удивительных свойств лазерного луча? Для объяснения этих свойств в научном языке есть специальный термин — когерентность.

В общих чертах такое пояснение дать вроде бы несложно. Вполне понятно, что поток света, распрост­раняющийся от любого источника, есть суммарный результат высвечивания великого множества элемен­тарных излучателей, каковыми являются отдельные атомы или молекулы светящегося тела. В случае лам­пы накаливания каждый атом-излучатель высвечивает­ся, никак не согласуясь с другими атомами-излучателя­ми, поэтому в целом получается световой поток, кото­рый можно назвать внутренне неупорядоченным, хао­тическим. Это есть некогерентный свет. В лазере же гигантское количество атомов-излучателей высвечива­ется согласованно — в результате возникает внутренне упорядоченный световой поток. Это есть когерентный свет.

Внутренне упорядоченный, иными словами, когерентный световой пучок отличается, во-первых, высокой монохроматичностью и, во-вторых, исключительно малой расходимостью. Это понятно, поскольку разные атомы при взаимной согласованнос­ти испускают волновые цуги одинаковой (точнее гово­ря, почти одинаковой) частоты и одинакового (почти одинакового) направления движения.

Когда мы говорим о лазерном луче, то обычно представляем себе яркий и тонкий световой шнур или световую нить. Эту нить можно увидеть, если включить гелий-неоновый лазер. Правда, этот лазер маломощный - настолько, что его луч можно спокойно «ловить» в руку. К тому же луч не «ослепи­тельно белый», а сочного красного цвета. Чтобы он был лучше виден, надо создать в лаборатории полу­мрак и легкую задымленность. Луч почти не расши­ряется и везде имеет практически одинаковую интен­сивность. Можно разместить на его пути ряд зеркал и заставить его описать сложную изломанную траекто­рию в пространстве лаборатории. В результате возник­нет эффектное зрелище-комната, как бы «перечеркну­тая» в разных направлениях яркими красными прямы­ми нитями.

Однако не всегда лазерный луч выглядит столь эффектно. Например, луч СО2-лазера вообще неви­дим — ведь его длина волны попадает в инфракрасную область спектра. Кроме того, не следует думать, что лазерный луч — это обязательно непрерывный поток све­товой энергии. В большинстве случаев лазеры генери­руют не непрерывный световой пучок, а световые импульсы.

Современная лазерная техника позволяет регулиро­вать длительность, энергию и даже форму лазерных импульсов. Регулируется и частота следования им­пульсов; это очень важно, так как от частоты следова­ния импульсов существенно зависит средняя мощность лазерного излучения. О том, как управляют лазерны­ми импульсами, будет рассказано позднее.

3. Лазерный луч в роли сверла.

Сверление отверстий в ча­совых камнях — с этого начиналась трудовая деятель­ность лазера. Речь идет о рубиновых камнях, которые используются в часах в качестве подшипников сколь­жения. При изготовлении таких подшипников требует­ся высверлить в рубине — материале весьма твердом и в то же время хрупком — отверстия диаметром всего 0,1-0,05 мм. Многие годы эта ювелирная операция выполнялась обычным механическим способом с ис­пользованием сверл, изготовленных из тонкой рояль­ной проволоки диаметром 40-50 мкм. Такое сверло делало до 30 тысяч оборотов в минуту и одновременно совершало при этом около ста возвратно-поступатель­ных перемещений. Для сверления одного камня требо­валось до 10-15 мин.

Начиная с 1964 г. малопроизводительное механи­ческое сверление часовых камней стало повсеместно заменяться лазерным сверлением. Конечно, термин «ла­зерное сверление» не надо понимать буквально; лазерный луч не сверлит отверстие — он его пробивает, вызы­вая интенсивное испарение материала. В настоящее время лазерное сверление часовых камней является обычным делом. Для этой цели применяются, в частности, лазеры на стекле с неодимом. Отверстие в камне (при толщине заготовки 0,5-1 мм) пробивается серией из нескольких лазерных импульсов, имеющих энергию 0,5-1 Дж. Производительность работы лазер­ной установки в автоматическом режиме —камень в секунду. Это в тысячу раз выше производительности механического сверления!

Вскоре после своего появления на свет лазер полу­чил следующее задание, с которым справился столь же успешно, — сверление (пробивание) отверстий в алмаз­ных фильерах. Для полу­чения очень тонкой проволоки из меди, бронзы, вольф­рама используется технология протягивания металла сквозь отверстие соответствующего диаметра. Такие отверстия высверливают в материалах, обладающих особо высокой твердостью, — ведь в процессе протяги­вания проволоки диаметр отверстия должен сохра­няться неизменным. Наиболее тверд, как известно, алмаз. Поэтому лучше всего протягивать тонкую про­волоку сквозь отверстие в алмазе — сквозь так называе­мые алмазные фильеры. Лишь с помощью алмазных фильер удается получать сверхтонкую проволоку, имеющую диаметр всего 10 мкм. Но как просверлить тонкое отверстие в таком сверхтвердом материале, как алмаз? Механически это сделать очень трудно — для механического сверления одного отверстия в алмазной фильере требуется до десяти часов. Зато, как оказа­лось, совсем нетрудно пробить это отверстие серией из нескольких мощных лазерных импульсов.

Сегодня лазерное сверление широко применяется не только для особо твердых материалов, но и для материалов, отличающихся повышенной хрупкостью. Лазерное сверло оказалось не только мощным, но и весьма деликатным «инструментом». Пример: применение лазера при сверлении отверстий в подложках микросхем, изготавливаемых из глинозем­ной керамики. Керамика необычайно хрупка. По этой причине механическое сверление отверстий в подложке микросхемы производили, как правило, на «сыром» материале. Обжигали керамику уже после сверления. При этом происходила некоторая деформация изде­лия, искажалось взаимное расположение высверлен­ных отверстий. Проблема была решена с появлением лазерных сверл. Используя их, можно работать с керамическими подложками, которые уже прошли обжиг. С помощью лазеров пробивают в керамике очень тонкие отверстия — диаметром всего 10 мкм. Механическим сверлением такие отверстия полу­чить нельзя.

То, что сверление — призвание лазера, ни у кого не вызывало сомнений. Здесь у лазера фактически не оказалось достойных конкурентов, особенно когда речь шла о сверлении особо тонких и особо глубоких отверстий, когда отверстия надо сверлить в очень хрупких или очень твердых материалах.

4. Лазерная резка и сварка.

Лазерным лучом можно резать решительно все: ткань, бумагу, дерево, фанеру, резину; пластмассу, керамику, листовой асбест, стекло, листы металла. При этом можно получать аккуратные разрезы по сложным профилям. При резке возгорающихся материалов место разреза обдувают струёй инертного газа; в результате получается гладкий, необожженный край среза. Для резки обычно используют непрерывно генерирующие лазеры. Нужная мощность излучения зависит от материала и толщины заготовки. Например, для резки досок толщиной 5 см применялся СО 2 - лазер мощностью 200 Вт. Ширина разреза составляла всего 0,7 мм; опилок, естественно, не было.

Для резки металлов нужны лазеры мощностью в несколько киловатт. Требуемую мощность можно сни­зить, применяя метод газолазерной резки - когда одно­временно с лазерным лучом на разрезаемую поверх­ность направляется сильная струя кислорода. При горении металла в кислородной струе (за счет происхо­дящих в этой струе реакций окисления металла) выде­ляется значительная энергия; в результате может использоваться лазерное излучение мощностью всего 100-500 Вт. Кроме того, струя кислорода сдувает и уносит из зоны разрезания расплав и продукты сгора­ния металла.

Первый пример такого рода резки — ла­зерный раскрой тканей на ткацкой фабрике. Установка включает СО2-лазер мощностью 100 Вт, систему фоку­сировки и перемещения лазерного луча, ЭВМ, устрой­ство для натяжения и перемещения ткани. В процессе раскроя луч перемещается по поверхности ткани со скоростью 1 м/с. Диаметр сфокусированного светово­го пятна равен 0,2 мм. Перемещениями луча и самой ткани управляет ЭВМ. Установка позволяет, напри­мер, в течение часа раскроить материал для 50 костю­мов. Раскрой выполняется не только быстро, но и весьма точно; при этом края разреза оказываются гладкими и упрочненными. Второй пример — автомати­зированное разрезание листов алюминия, стали, тита­на в авиационной промышленности. Так, СО2-лазер мощностью 3 кВт разрезает лист титана толщиной 5 мм со скоростью 5 см/с. Применяя кислородную струю, получают примерно тот же результат при мощности излучения 100-300 Вт.

В развитии лазерной сварки выде­ляют два этапа. Вначале развивалась точечная свар­ка — на основе импульсных лазеров на рубине и на стекле с неодимом. С появлением мощных СО2-лазе-ров и лазеров на гранате с неодимом, дающих непре­рывное излучение или последовательность часто пов­торяющихся импульсов, стала развиваться шовная сварка.

Примеры точечной лазерной сварки: соединение никелевого контакта с зажимом из никелевого сплава на основании транзистора, приваривание тонких мед­ных проводов друг к другу или к зажимам, взаимное соединение микроэлектронных компонентов. Шовная лазерная сварка непрерывным излучением мощностью около 100 Вт применяется для герметизации корпусов приборов, приваривания наконечников к лопастям га­зовых турбин и кромок из закаленной стали к полот­нам металлорежущих пил и т. д. С помощью киловаттных лазеров производят автоматизированную шовную сварку кузовов автомобилей, корпусов судов, труб газопроводов и т.д. Для сварки деталей из стекла используются лазеры мощностью 100 Вт, для сварки кварца — мощностью до 300 Вт.

Лазерная сварка успешно конкурирует с известны­ми способами сварки, например с электродуговой и сваркой электронным лучом. Она обладает весомыми преимуществами. При лазерной сварке нет контакта со свариваемым образцом, а значит, нет опасности за­грязнения его какими-либо примесями. В отличие от электронно-лучевой сварки, для которой нужен ва­куум, лазерная сварка производится в обычных усло­виях. Она позволяет производить быстро и с высокой точностью проплавление локально: в данной точке или вдоль данной линии. Зона, подвергающаяся тепловому воздействию, имеет очень малые размеры. Это важно, в частности, в тех случаях, когда сварка выполняется в

5. Лазерный луч в роли хирургического скальпеля.

Свойством лазерного луча сверлить и сваривать различные материалы заинтересовались не только инженеры, но и медики. Представьте себе операционную, где рядом с операционным столом находится СО2-лазер. Излучение лазера поступает в шарнирный световод — систему полых раздвигающихся трубок, внутри кото­рых свет распространяется, отражаясь от зеркал. По световоду излучение попадает в выходную трубку, которую держит в своей руке хирург. Он может пере­мещать ее в пространстве, свободно поворачивая в разных направлениях и тем самым посылая лазерный луч в нужное место. На конце выходной трубки есть маленькая указка; она служит для наведения луча — ведь сам луч невидим. Луч фокусируется в точке, которая находится на расстоянии 3-5 мм от конца указки. Это и есть лазерный хирургический скаль­пель.

В фокусе лазерного луча концентрируется энергия, достаточная для того, чтобы быстро нагреть и испа­рить биологическую ткань. Перемещая «лазерный скальпель», хирург рассекает ткань. Его работа отли­чается виртуозностью: вот он почти неуловимым дви­жением руки приблизил конец указки к рассекаемой ткани, а вот приподнял, отодвинул его подальше; указка быстро и равномерно перемещается вдоль линии разреза, и вдруг ее движение слегка замедляется. Глубина разреза зависит от скорости резания и от степени кровенаполнения ткани. В среднем она состав­ляет 2-3 мм. Часто рассечение тканей выполняют не в один, а в несколько приемов, рассекая как бы послойно. В отличие от обычного скальпеля, лазерный скальпель не только рассекает ткани, но может также сшивать края разреза, иными словами, может произво­дить биологическую сварку.

Рассечение производят сфокусированным излучени­ем (хирург должен держать выходную трубку на таком расстоянии от ткани, чтобы точка, в которой фокуси­руются лучи, оказалась на поверхности ткани). При мощности излучения 20 Вт и диаметре сфокусирован­ного светового пятна 1 мм достигается интенсивность (плотность мощности) 2,5 кВт/см2. Излучение прони­кает в ткань на глубину около 50 мкм. Следовательно, объемная плотность мощности, идущая на нагрев ткани, достигает 500 кВт/см3. Для биологических тка­ней это очень много. Происходит их быстрое разогре­вание и испарение — налицо эффект рассечения ткани лазерным лучом. Если же луч расфокусировать (для чего достаточно немного отодвинуть конец выходной трубки от поверхности ткани) и тем самым снизить интенсивность, скажем, до 25 Вт/см2, то ткань испа­ряться не будет, а будет происходить поверхностная коагуляция («заваривание»). Вот этот-то процесс и используют для сшивания разрезанной ткани. Биоло­гическая сварка осуществляется за счет коагуляции жидкости, содержащейся в рассекаемых стенках опери­руемого органа и специально выдавливаемой в проме­жуток между соединяемыми участками ткани.

Лазерный скальпель — удивительный инструмент. У него есть много несомненных достоинств. Одно из них — возможность выполнения не только рассечения, но и сшивания тканей. Рассмотрим другие достоинства.

До появления лазеров поиски методов лечения отслоения сетчатки привели к следующему. Нужно закрыть разрыв сетчатки, но ведь она находится внутри глаза. Предложили способ, состоя­щий в том, что до больного места добирались с тыльной стороны глаза. Для чего рассекали веки и вытаскивали глазное яблоко наружу. Оно висело только на нервных волокнах. Затем через внешнюю оболочку осуществляли термокоагуляцню, при помощи которой добивались рубцового сращения краев разрыва с прилегающими тканя­ми. Очевидно, что такая сложная операция требует, во-первых, виртуозного мастерства хирурга и, во-вторых, что также очень важно, решимости больного пойти на та­кой шаг.

С появлением лазеров были начаты исследования по их использованию для лечения отслоения сетчатки. Эти работы проводились в институте имени Г. Гельмгольца в Москве и в клинике имени В. П. Филатова в Одессе. Ме­тод лечения был выбран необычный. Для проникновения к больному месту уже не надо производить разрез века и вытаскивать глазное яблоко. Для этого был использован прозрачный хрусталик. Именно через него было предложено проводить операцию. Для технической реа­лизации операции был разработан прибор, называемый офтальмокоагулятор марки ОК-1. Прибор состоит из ос­нования, на котором размещены источники питания и электрическая часть аппаратуры с органами управления. На основании на специальном шланге с помощью гибко­го соединения подвешена излучающая головка с руби­новым лазером. На одной оптической оси с лазером рас­полагается система прицеливания, которая позволяет через зрачок тщательно исследовать глазное дно, найти пораженное место и навести на него (прицелить) луч лазера. Для этого служат две рукоятки, находящиеся в руках хирурга. Вспышка обеспечивается нажатием кноп­ки, расположенной на одной из рукояток. Выдвигающаяся шторка предохраняет глаза хирурга во время вспышки. Для удобства работы врача-оператора и обслуживающе­го персонала прибор снабжен световой и звуковой сиг­нализацией. Энергия импульсов регулируется от 0,02 до 0,1 Дж. Сама техника операции состоит в следующем. Сначала врач с помощью оптического визира исследует глазное дно больного и, определив границы заболевшего участка, рассчитывает необходимое количество вспышек и потребную энергию каждой вспышки. Затем, следуя по границам заболевшего участка, производит их облу­чение. Вся операция напоминает сварку металла точеч­ным методом.

6. Лазерное оружие.

В середине 80-х годов был получен ряд сообщений о том, что на американских полигонах было испытано несколько образцов лазерного оружия, часть из которого была из­готовлена в виде пистолета, часть—в виде ружья. В со­общениях подчеркивалось, что оно было создано для борьбы с живой силой противника на поле боя. Дейст­вие оружия основано на использовании большой пиковой мощности лазера. Для чего применялся твердотельный (рубиновый или на стекле с неодимом) лазер с модуля­цией добротности. В результате длительность импульса составляла всего 10~9 с, что при использовании энергии в 1 Дж приводило к мощности в 109 Вт. В первую оче­редь действие такого оружия, по замыслам создателей, должно состоять в поражении глаз, вызывая в них обра­тимые или необратимые процессы. Предположения ос­нованы на том, что, попадая на хрусталик человеческого глаза, лазерное излучение не должно поражать сам хрус­талик, так как он прозрачен для этого излучения. Но хрусталик, как всякая оптическая система, фокусирует излучение в очень маленькое пятно на сетчатке. В этом пятне плотность энергии возрастает настолько, что при­водит к кровоизлиянию. Человек либо не успевает моргнуть — настолько короткой является вспышка, либо даже не видит излучение — если оно на волне 1,06 мкм. Но зре­ние теряется мгновенно. Образцы такого оружия пред­ставлены на рисунке ниже. В качестве источника излу­чения используется лазер на рубине, помещенный внутри съемного патрона. В этом же патроне находится источ­ник возбуждения, представляющий собой химический элемент, питаемый от батареи. На рисунке показан патрон отдельно от пистолета. Управление таким оружием максимально приближено к обычному оружию. Оно на­водится на объект поражения, нажимается спусковой курок, чем подается импульс от батареи на химический элемент, который дает питание на рубиновый стержень. Излучаемая энергия выбрасывается в сторону цели. Дей­ствие показанного на рисунке ружья аналогично. Разра­ботчики считают, что для поражения органов зрения нет необходимости наведения луча точно в глаз против­ника. Достаточно облучить голову или весь корпус че­ловека. Но если он будет расположен лицом в сторону источника излучения, то поражение органов зрения обеспечено. Механизм воздействия лазерного излучения на сетчатку и хрусталик подробно рассмотрен в преды­дущем материале и здесь нет надобности повторяться. В сообщении отмечается, что даже если объект пора­жения находится к источнику излучения под некоторым углом, все же он может потерять зрение. С появлением лазеров на СО2, работающих в непрерывном режиме, работы по созданию наземного оружия были форсированы. Были созданы лазерные «пушки». Если первые пистолеты и ружья предназначались в основном против человека и только в отдельных случаях — для поджога легко воспламеняющихся материалов, то лазер­ные пушки предполагали, в основном, борьбу с техникой.

В печати сообщалось, что для повышения интереса Пентагона к лазерам американские инженеры выполнили следующий эксперимент. Создали лазерную пушку для борьбы с низколетящими объектами. Затем запус­тили модель беспилотного самолета, который на малой высоте прошел над позицией, где размещалась эта пуш­ка. На глазах наблюдавших была отрезана часть плоскости беспилотного самолета. Самого луча никто не ви­дел, но самолет был сбит. В опубликованных материалах, носящих рекламный характер, ничего не говорится о мощности излучения пушки, о высоте, на которой про­летел самолет, о материале, из которого были сделаны плоскости самолета, а также о покраске крыла самолета. После этого эксперимента, как сообщается, работы по созданию лазерного оружия развернулись с новой силой.

Помимо использования так называемого прямого воз­действия лазерного излучения на объекты поражения, высокая направленность лазерного излучения применя­ется за рубежом и для создания лазерных имитаторов стрельбы и тренажеров. Использование лазеров для тре­нировки стрелков и наводчиков танковых пушек обос­новывают тем, что лазер, имея малую расходимость пучка, повышает реальность имитации попадания в цель, обеспечивает «безопасность» стрельбы, дает возможность проводить тренировки в любое время суток и года. В со­общении делают вывод, что лазерные имитаторы, кото­рыми предполагают оснастить танковые подразделения, позволят разыгрывать танковые бои в условиях, макси­мально приближенных к боевым.

Так как имитаторы стрельбы и тренажеры соответ­ствуют по дальности стрельбы тем видам оружия, кото­рые они имитируют, т. е. в пределах от сотни метров до нескольких километров, то предполагают применить маломощные твердотельные лазеры, газовые и полупро­водниковые лазеры, простые по конструкции, надежные в эксплуатации, безопасные для «противника». И как отмечают, влияние тумана и дымки на прохождение ла­зерного излучения в атмосфере дает положительный эффект для тренировок. Условия стрельбы ухудшаются, но если наводчик видит цель в пределах возможностей своего оружия, то и излучение лазера достигнет цели. Быстродействие лазерных имитаторов дает возможность использовать их для имитации стрельбы любых средств поражения, обладающих любой начальной скоростью. Сообщают, что в такие имитаторы приходится вводить специальные устройства, рассчитанные на задержку «выстрела» в целях приведения его в соответствие с по­летным временем снаряда или пули, а также при стрель­бе по движущимся целям с упреждением. Здесь представлена схема лазер­ного тренажера.

Она включает в себя два варианта аппаратуры. Первым оборудуется наводчик, вторым — объект поражения: танк, самолет, вертолет и т. п. Аппаратура наводчика содержит оптический прицел, через который наводчик наблю­дает объект поражения и удерживает перекрестье при­цела на цели, лазерный источник излучения и блок управления его работой, пульт регистрации попадании и приемник попаданий. На объекте поражения устанав­ливается блок имитатора попаданий. Он состоит из на­бора фотоприемников, размещенных на объекте в раз­личных его точках (на башне, на защитном щитке водителя, на баке с топливом и т. д.), и командного устройства, включающего в работу световой, звуковой или дымовой имитатор, который указывает экипажу о поражении танка, а также наводчику — о попадании в объект поражения. На основе такой схемы за рубежом был разработан ряд тренажеров. Некоторые из них исполь­зуют штатные средства с небольшими изменениями. Проведенные испытания позволяют сделать вы­вод, что существенно сокращается стоимость учебных стрельб за счет экономии боеприпасов, за счет много­кратного использования мишеней и упрощения трени­ровочного оборудования. Сообщается, что экспертная комиссия дала свою оценку и показала, что качество подготовки стрелков и наводчиков повышается, однако и тренажеры продолжают совершенствовать. Если в пер­вых сериях тренажеров в качестве источника излучения применялся рубиновый лазер, то впоследствии он был заменен лазером полупроводникового типа на арсениде галлия. Затем изменениям подверглась прицельная сис­тема. В ней были установлены дополнительные линзы и зеркала, которые имитируют введение упреждения при стрельбе по движущимся целям, установку требуемого угла возвышения. Установка прицела производится по результатам измерения дальности с помощью дальномерной приставки, которая вводит в логическую схему величину коррекции направления луча с тем, чтобы ус­тановка прицела соответствовала истинному расстоянию до цели и баллистике данного снаряда. Имитация вспыш­ки производится ксеноновым прожектором, который вклю­чается в момент излучения лазерного импульса. Внутри башни танка смонтирован блок управления, с помощью которого подаются команды имитатора стрельбы. Панели управления имеются у командира танка и заряжающего. На панели последнего имеются красная и зеленая кноп­ки, которые включаются в зависимости от того, какой вид боеприпаса используется. Приемники лазерного из­лучения расположены по периметру башни тапка. Их пять штук. Каждый из них по углу ноля зрения пере­крывает 36° по азимуту и ±15° по углу места. При попа­дании луча лазера, имитирующего выстрел орудия, на один из приемных фотодетекторов, включается блок ра­диостанции, который посылает стреляющему танку сиг­нал о поражении цели. Одновременно в танке-цели вклю­чается сигнальное устройство, информирующее экипаж о поражении их танка. Кроме того, баллон, смонтирован­ный на башне танка, начинает дымить в течение 30 с. Иногда вместо одного баллона устанавливают ряд пе­тард, что дает гораздо больший эффект.

7. Заключение.

За последнее время в России и за рубежом были проведены обширные исследования в области квантовой электроники, созданы разнообразные лазеры, а так же приборы, основанные на их использовании. Лазеры применяются в локации и связи, в космосе и на земле, в медицине и строительстве, в вычислительной технике и строительстве. Становление и развитие голографии также немыслимо без лазеров.

Нам, молодому поколению, нужно знать об этом интересном приборе, переделывающем мир, как можно больше, и быть готовым к его использованию в учебной, научной и военной деятельности.

8. Список литературы.

www.ronl.ru

Смотрите также

• 
  Реферат классификация норм международного права
• 
  Бюджет и его устройство реферат
• 
  Лофт стиль в интерьере реферат
• 
  Реферат на тему кладовые земли
• 
  Реферат про ушинского константина дмитриевича
• 
  Итальянское вторжение в абиссинию реферат
• 
  Синонимы в фармацевтической терминологии реферат
• 
  Реферат как повысить свой иммунитет
• 
  Экологическая безопасность реферат по бжд
• 
  Формы платы за землю реферат
• 
  Темы рефератов по истории кыргызстана