Дополнительный материал "Лазеры и их применение"

Цель исследования: изучение лазерных технологий и применение в современной жизни.
 
Актуальность данной темы: выявить постоянный рост темпа развития лазерных технологий и их внедрения в нашу жизнь.
 
Задачи исследования:
- изучить историю создания лазера;
- ознакомиться с принципом работы различных типов лазеров;
- выявить особенности лазерного излучения;
- рассмотреть применения лазеров в современной жизни.

Предмет исследования: лазерные технологии.

«Лазер — это устройство, в котором энергия, например, тепловая, химическая, электрическая, преобразуется в энергию электромагнитного поля — в лазерный луч». Н.Г. Басов

В 1954 г. Чарльз Таунс вместе со своими единомышленниками Гербертом Цайгером и Джеймсом Гордоном создали первый аналогичный прибор, работающий в оптическом диапазоне, — лазер (тогда он назывался «мазер»). Лазеры называют также оптическими квантовыми генераторами.

В 1955 году советские ученые Александр Прохоров и Николай Басов из Института физики Академии наук CCCP совершенствуют конструкцию мазера, изменяя метод накачки электронов. В 1964 году они вместе с Таунсом получают за свои открытия Нобелевскую премию.

В построенном Мейманом первом лазере рабочим телом был цилиндр из розового рубина. Диаметр стержня был порядка 1 см, длина — около 5 см. Рубин представляет собой окись алюминия, в которой некоторые из атомов алюминия замещены атомами хрома. При поглощении света ионы хрома переходят в возбужденное состояние.

Схема лазера на рубине

Строение лазера

Активный элемент – среда, которая «вбирает» в себя энергию и пере- излучает ее в виде когерентного излучения. Это может быть кристалл, раствор, газ или полупроводник, обеспечивающий конкретную длину волны в зависимости от своего химического состава. Среда, в которой создана инверсная населенность уровней, называется активной.
Элемент накачки – устройство, поставляющее энергию для насыщения активной среды и переработки ее в когерентное излучение. Накачка может быть оптической (лампы), а также лазерной, химической и даже тепловой. Накачка лазера - осуществление инверсии населенности, в веществе. Она происходит за счет поглощения энергии внешнего электромагнитного излучения или другими воздействиями.

Строение лазера

Резонансный оптический усилитель – система с положительной обратной связью, состоящая из двух зеркал, одно из которых непрозрачное, а другое полупрозрачное. Зеркала, отражая часть излучения в активное вещество, играют роль резонатора, обеспечивающего многократное усиление и направленность генерируемого излучения. С выхода резонансного оптического усилителя часть сигнала снова поступает на вход, многократно при этом усиливаясь, при этом поступающий с выхода на вход сигнал согласован с изначальным входным сигналом по фазе. Это необходимо для возникновения генерации света.
 Вещество помещается между парой зеркал таким образом, что свет, отражающийся в них, каждый раз проходит через него. При этом в среде должна поддерживаться инверсная населенность уровней. Достигнув значительного усиления, свет проникает сквозь полупрозрачное зеркало.

Свойства лазерного излучения

Лазерный луч - это источник света с совершенно уникальными свойствами. Он практически не рассеивается, может излучаться на дальние расстояния, возвращаясь обратно. Также у лазера очень большая теплота, что позволяет ему резать материал, через который он проходит.
К числу особенностей излучения часто относят малую угловую расходимость, что, в свою очередь, позволяет говорить о высокой интенсивности лазерного излучения.
Можно сфокусировать лазерное излучение до диаметра, сравнимого с длиной волны. Это позволяет получать высокие интенсивности излучения в очень локализованной области пространства.
Все эти уникальные свойства лазерного излучения возникают в результате согласованного, кооперативного испускания световых квантов многими атомами рабочего вещества.
Другим преимуществом лазеров является то, что лазеры – мощные источники света, превосходящие даже Солнце.

Свойства лазерного излучения

- эффективная фокусировка, высокая направленность, малая расходимость лазерного излучения;
- концентрация световой энергии в небольших объемах, громадная плотность энергии, малая зона энергетического (теплового) воздействия;
- большая дальность действия, высокая точность и разрешающая способность лазерного луча;
- формирование кратковременных импульсов света, значительная мощность лазерного излучения;
- монохроматичность, высокая стабильность частоты лазерных колебаний;
- малая длина волны, высокая частота лазерных колебаний, большая пропускная способность каналов оптической (лазерной) связи;
- широкий спектральный диапазон (от ультрафиолетовой до далекой инфракрасной области), обеспеченный промышленными (серийными) источниками лазерного излучения;
- эффективная гальваническая развязка (бесконтактное взаимодействие) источника лазерного излучения и объектов оптического воздействия;
- повышенная помехоустойчивость и помехозащищенность («скрытность») лазерной связи.

Видов лазерных устройств существует большое количество, однако все они берут свое начало от четырех основных типов: 
- Газовые лазеры
- Жидкостные лазеры
- Твердотельные лазеры
- Полупроводниковые лазеры

В 1961 г. был создан первый газовый лазер, работающий на смеси гелия и неона.

В газовых лазерах трубка с активным газом помещается в оптический резонатор, состоящий в простейшем случае из двух параллельных зеркал, одно из которых является полупрозрачным. Оптическая волна, распространяясь через активный газ, усиливается и создает лавину фотонов.
Дойдя до полупрозрачного зеркала, волна частично выходит за пределы резонатора, создавая выходное лазерное излучение. Другая часть оптической энергии отражается от зеркала и порождает новую лавину фотонов. Все фотоны идентичны по частоте, фазе и направлению дальнейшего распространения.
 
 

Принцип работы газового лазера

Жидкостный лазер

Жидкостные лазеры, работающие на неорганических активных жидкостях, обладают большими импульсными энергиями при значительной средней мощности. При этом жидкостные лазеры генерируют излучение с узким спектром частот.
 
Интересными особенностями обладают жидкостные лазеры, которые работают на растворах органических красителей. Они позволяют работать жидкостному лазеру с непрерывной перестройкой длин волн излучения в широком диапазоне. Путем замены красителей, есть возможность обеспечения перекрытия всего видимого и части инфракрасного участков спектра. Для некоторых красителей можно использовать накачку от специальных импульсных газосветных ламп, дающих более короткие интенсивные вспышки белого света, чем обычные импульсные лампы.

Принцип действия жидкостного лазера

В жидкостных лазерах рабочим телом, определяющим вырабатываемую длину волны, является жидкость. Эта жидкость – органический растворитель (этанол, метанол или этиленгликоль), в котором растворяются химические или органические красители. Первый жидкостный лазер был разработан в конце 60-х годов 20 века.

Твердотельные лазеры

Лазер, в котором в качестве активной среды используется вещество, находящееся в твёрдом состоянии (в отличие от газов в газовых лазерах и жидкостей в лазерах на красителях).
Разновидностями твердотельного лазера являются волоконный лазер и полупроводниковый лазер. К твердотельным относятся также лазеры, в которых в качестве активной среды используются различные стекла и кристаллы, активированные редкоземельными элементами. Самым первым твердотельным лазером был излучатель на рубине, накачка осуществлялась газоразрядной лампой.

Полупроводниковые лазеры

Полупроводниковыми или диодными называют лазеры, которые имеют усиливающую среду на основе полупроводников. Генерация в ней происходит во время межзонного перехода электронов, при низкой концентрации носителя в зоне проводимости, в основном за счет вынужденного излучения фотонов.
Полупроводниковый лазер является основой для чтения и записи компьютерных дисков. Благодаря нему работают лазерные указки, уровнемеры, измерители расстояния и прочие полезные для человека устройства.

 

В настоящее время список лазерных материалов насчитывает много десятков твердых, жидких и газообразных веществ. Одни лазеры работают в импульсном, другие—в непрерывном режиме.

Лазер и искусственное солнце

Несколько лет назад был изобретён лазерный луч, в миллион раз более яркий чем Солнце. Технически, это — ускоритель частиц, построенный, чтобы моделировать ядерные взрывы. В течение 10 лет экспериментов, гигантский лазер произвел  до 2 миллиардов градусов Кельвина, что превышает внутреннюю температуру нашего Солнца. Это устройство способно даже расплавить алмаз.

Применение лазеров

Лазеры используются в технике для сварки, резки, и плавления металлов;

Главное преимущество лазерной работы с металлами – высокое качество, а так же скорость и гибкость, минимум как материальных затрат так и самого материала.

Лазеры в вооружении

Лазерная локация 

Способ включает сканирование пространства последовательностью лазерных сигналов, генерируемых лазерным локатором, регистрацию рассеянных и/или отраженных объектом лазерных сигналов, определение расстояния до объекта и углового положения объекта.
Лазерная локация Луны:

Оптическая когерентная томография (ОКТ) сверхвысокого разрешения – лучший инструмент для получения микроснимков поперечного среза или 3D-визуализации объекта. Визуализация поперечного сечения и трехмерная модель образца полезны при решении многих задач: от анализа биотканей в медицине до отображения субмикронных структур в промышленности.

птическая когерентная томография 
     

Применение лазеров

Лазеры широко используют в медицине - как бескровные скальпели, при лечении глазных и кожных болезней

В наши дни лазером можно совершенно безболезненно лечить зубы

В  лазерной  хирургииприменяются достаточно мощные лазеры со средней мощностью излучения десятки ватт, которые способны сильно нагревать кожу, что приводит к ее резанию или испарению.

Лазеры в метрологии

Лазеры широко используются в оптической метрологии, например, для высокоточных измерений и оптического профилирования поверхностей с помощью интерферометров, для дальнометрии, а также для навигации. 
Лазерные сканеры на основе коллимированных (параллельных) лазерных лучей, которые могут прочитать, например, штрих-коды или другие графические элементы на небольшом расстоянии. Это также позволяет сканировать трехмерные объекты, например, в контексте расследования преступления (CSI).
Лазеры также позволяют чрезвычайно точно измерять время и поэтому являются важным компонентом оптических часов, которые начинают превосходить в настоящее время используемые атомные часы.

Лазеры имеют огромное значение в связи и информационных технологиях:
Хранение информации на оптических носителях (компакт-диск, DVD и т. д.);
Оптическая связь;
Оптические компьютеры
Голография, Лазерные дисплеи;
Лазерные принтеры, 
Считыватели штрих-кодов;

Лазеры широко применяются в культуре:
Лазерные шоу (представление) на концертах и дискотеках;
Мультимедийные демонстрации и презентации;
В световом дизайне;
Лазерные субтитры на 
киноэкранах

Лазерная спектроскопия. Например, твердые материалы могут быть проанализированы с помощью спектроскопии лазерно-индуцированного пробоя
Лазерное охлаждение позволяет довести облака атомов или ионов до крайне низких температур. Этот находит применение в фундаментальных исследованиях.
Лазерные опорные звезды (искуственные звезды) используются в астрономических обсерваториях
В будущем мощные лазерные системы будут играть важную роль в производстве электроэнергии. Лазерное индуцирование ядерного синтеза исследуется как альтернатива другим типам реакторов термоядерного синтеза. Мощные лазеры также могут быть использованы для разделения изотопов.

Исходя из всего этого, мы можем сказать, что лазер – это одно из величайших открытий ХХ века, это устройство, которое нашло применение практически во всех сферах нашей жизни, и очень много интересных открытий, связанных с этим прибором, ждут ученых впереди.

Использованная литература:

https://ru.wikipedia.org/wiki
https://www.ulsinc.com/ru/
https://laser-portal.ru/content_5
https://rostec.ru/news/istoriya-otkrytiya-ot-mazera-k-lazeru/
Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, В.М. Чаругин, Физика 11 класс. Москва/Просвещение,2019г.
Большой энциклопедический словарь школьника/М.”Большая Российская энциклопедия”, 2001г.
Энциклопедический словарь юного физика/М.” Педагогика-Пресс”,1997г.