Реферати українською » Физика » Застосування лазерів в технологічними процесами


Реферат Застосування лазерів в технологічними процесами

Страница 1 из 5 | Следующая страница

року міністерство освіти Російської Федерації

Кубанський державний технологічний університет

Армавирский механико-технологический інститут

Кафедра загальнонаукових дисциплін

РЕФЕРАТ

із фізики

на задану тему: «Застосування лазерів в

технологічними процесами»

Выполнил: студент 1 курсу

групи 01-Э132

Кузьмін Олександре Володимировичу

Науковий керівник:

доцент, канд. физ.-мат. наук

Тунин він

р. Армавір

2002 р.

Зміст

                                                                                                                    стор.

Історія створення лазера …………………………………………………… 3

Принцип роботи лазера …………………………………………………… 5

Деякі унікальні властивості лазерного випромінювання ………………… 7

Застосування лазерів у різних технологічними процесами ………… 8

Укладання…………………………………………………………………… 27

Список використаної літератури ……………………………………… 28  

Історія створення лазера

  

   Слово "лазер" складається з початкових літер на англійському словосполученні Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, що у перекладі російською мову означає: посилення світла у вигляді вимушеного випущення. Отже, у самому терміні лазер відбито так фундаментальна роль процесів вимушеного випущення, що вони грають у генераторах і підсилювачах когерентного світла. Тому історію створення лазера слід розпочинати з 1917 р., коли Альберт Ейнштейн вперше ввів уявлення про вимушене випущенні.

   То був перший крок шляху до лазеру. Наступний крок зробив радянський фізик У. А. Фабрикант, указавший в 1939 р. до можливості використання вимушеного випущення посилення електромагнітного випромінювання за його проходженні крізь речовина. Ідея, висловлена У. А. Фабрикантом, передбачала використання микросистем з инверсной заселенностью рівнів. Пізніше, по закінченні Великої Великої Вітчизняної війни У. А. Фабрикант повернувся до цієї ідеї та відповідно до своїх досліджень подав у 1951 р. (разом із М. М. Вудынским і Ф. А. Бутаевой) заявку на винаходи способу посилення випромінювання з допомогою вимушеного випущення. Цю заявку було видано свідчення, у якому під рубрикою "Предмет винаходи" було написане: "Спосіб посилення електромагнітних випромінювань (ультрафіолетового, видимого, інфрачервоного і радіодіапазонів хвиль), котра тим, що що посилюється випромінювання пропускають через середу, у якій з допомогою допоміжного випромінювання або іншими шляхом створюють избыточною проти рівноважної концентрацію атомів, інших часток чи його систем на верхніх енергетичних рівнях, відповідних збудженою станами".

   Спочатку цей засіб посилення випромінювання виявився реалізованою в радіодіапазоні, а точніше у діапазоні надвисоких частот (НВЧ діапазоні). У травні 1952 р. на Общесоюзной конференції по радиоспектроскопии радянські фізики М. Р. Басов й О. М. Прохоров зробили доповідь про принципову можливість створення підсилювача випромінювання в НВЧ діапазоні. Вони назвали його "молекулярным генератором" (передбачалося використовувати пучок молекул аміаку). Практично одночасно пропозицію про використання вимушеного випущення посилення і генерування міліметрових хвиль було висловлено в Колумбійському університеті у США американським фізиком Ч. Таунсом.

   У 1954 р. молекулярний генератор, під назвою невдовзі мазером, став реальністю. Він було розроблено й створено незалежно і у двох точках земної кулі - в Фізичному інституті імені П. М. Лебедєва Академії наук СРСР (групою під керівництвом М. Р. Басова й О. М. Прохорова) й у Колумбійському Університеті США (групою під керівництвом Ч. Таунса).

   Згодом від терміну "мазер" і незабаром стався термін "лазер" внаслідок заміни літери "М" (початкова літера слова Microwave - мікрохвильової) буквою "L" (початкова літера слова Light - світло). У основі роботи, як мазера, і лазера лежить і той ж принцип - принцип, сформульований 1951-го р. У. А. Фабрикантом. Поява мазера означало, що народився новий направлення у науці й техніці. Спочатку його ще називали квантової радиофизикой, а пізніше почали називати квантової електронікою.

   Через десятиліття після створення мазера, в 1964 р. присутня на церемонії, присвяченій врученню Нобелівської премії, академік А. М. Прохоров сказав: " Здається, що створення мазери в радіодіапазоні незабаром буде створено квантові генератори в оптичному діапазоні. Однак це змагань не вийшло. Їх було створено лише крізь п'ять-шість років. Чим пояснюється? Тут було дві труднощі. Перша труднощі в тому, тоді були запропоновані резонатори для оптичного діапазону довжин хвиль, й інша - були запропоновані конкретні системи та методи отримання инверсной заселенности в оптичному діапазоні".

   Згадані А. М. Прохоровым років й справді були заповнені тими дослідженнями, що дозволило, зрештою, вийти з мазера до лазеру. У 1955 р. М. Р. Басов й О. М. Прохоров обгрунтували застосування методу оптичної накачування до створення инверсной заселенности рівнів. У 1957 р. М. Р. Басов висунув ідею використання напівпровідників до створення квантових генераторів; цьому він запропонував використовувати як резонатора спеціально оброблені поверхні самого зразка. У тому ж 1957 р. У. А. Фабрикант і Ф. А. Бутаева спостерігали ефект оптичного квантового посилення в дослідах з електричним розрядом в суміші парів ртуті і невеличких кількостях водню і гелію. У 1958 р. А. М. Прохоров навіть від нього американський фізик Ч. Таунс теоретично обгрунтували можливість застосування явища вимушеного випущення в оптичному діапазоні; вони (і навіть американець Р. Дікке) висунули ідею про застосування в оптичному діапазоні не об'ємних (як і НВЧ діапазоні), а відкритих резонаторів. Зауважимо, що конструктивно відкритий резонатор відрізняється від об'ємного тим, що зібрано бічні проводять стінки (збережені торцовые відбивачі, здатні фіксувати у просторі вісь резонатора) і лінійні розміри резонатора обрані великими проти довгою хвилі випромінювання.

   У 1959 р. побачила світ робота М. Р. Басова, Б. М. Вула і Ю. М. Попова з теоретичним обгрунтуванням ідеї напівпровідникових квантових генераторів й аналізом умов його створення. Нарешті, в 1960 р. з'явилася обосновательная стаття М. Р. Басова, Про. М. Крохина, Ю. М. Попова, де було всебічно розглянуті принципи створення і

теорія квантових генераторів і підсилювачів в інфрачервоному і видимому діапазонах. Наприкінці статті автори писали: "Відсутність принципових обмежень дозволяє на те, що у найближчим часом буде створено генератори і підсилювачі в інфрачервоному і оптичному діапазонах хвиль".

   Отже, інтенсивні теоретичні і експериментальні дослідження, у СРСР та впритул підвели вчених у в самісінькому кінці 1950-х років до створення лазера. Успіх випав частку американського фізика Т. Меймана. У 1960 р. у двох наукових журналах з'явилося його повідомлення у тому, що йому вдалося дістати рубіні генерацію випромінювання в оптичному діапазоні. Так світ знає народження першого "оптичного мазера" - лазера на рубіні. Перший зразок лазера виглядав досить скромно: маленький рубіновий кубик (1x1x1 див), дві протилежні межі якого, мали срібну покриття (ці межі грали роль дзеркала резонатора), періодично опромінювалися зеленим світлом від лампи-спалаху високої потужності, яка змією охоплювала рубіновий кубик. Генерируемое випромінювання як червоних світлових імпульсів испускалось через невеличке отвір на одній із посріблених граней кубики.

   У тому ж 1960 р. американськими фізиками А. Джавану, У. Беннету, Еге. Эрриоту удалося одержати генерацію оптичного випромінювання в електричному розряді в суміші гелію і неону. Отак виникло перший газовий лазер, поява котрого треба було фактично підготовлено експериментальними дослідженнями У. А. Фабриканта і Ф. А. Бутаевой, розробленими у 1957 р.

   Починаючи з 1961 р., лазери різних типів (твердотільні газові) займають міцне місце у оптичних лабораторіях. Освоюються нові активні середовища, розробляється і вдосконалюється технологію виготовлення лазерів. У 1962-1963 рр. у СРСР та одночасно створюються перші напівпровідникові лазери.

   Так починається новий, "лазерний" період оптики. З початку виникнення лазерна техніка розвивається винятково швидкими темпами. Постають нові типи лазерів і водночас вдосконалюються старі. Саме це стало причиною глибокого проникнення лазерів в численні галузі народного господарства.

Принцип роботи лазера

Мал.1 Схема роботи лазера.

 
   Принципова схема лазера вкрай проста (рис. 1): активний елемент, поміщений між двома взаємно паралельними дзеркалами. Дзеркала утворюють так званий оптичний резонатор; одна з дзеркал роблять злегка прозорим, крізь це дзеркало з резонатора виходить лазерний промінь. Щоб почалася генерацію лазерного випромінювання, необхідно "накачати" активний елемент енергією від деякого джерела (її називають пристроєм накачування).

Справді, основний фізичний процес, визначальний дію лазера, - це вимушене випущення випромінювання. Воно відбувається за взаємодії фотона з збудженою атомом приточном збігу енергії фотона з енергією порушення атома (чи молекули).

Внаслідок цього взаємодії збуджений атом перетворюється на невозбужденное стан, а надлишок енергії випромінюється як нового фотона точнісінько той самий енергією, напрямом поширення і поляризацією, як і в первинного фотона. Отже, наслідком цього процесу служить наявність вже двох абсолютно ідентичних фотонів. При подальшому взаємодії цих фотонів з збудженими атомами, аналогічними першому атома, може виникнути "ланцюгова реакція" розмноження однакових фотонів, "летять" вже напевне щодо одного напрямі, що сприятиме появі вузькоспрямованої світлового променя. Для виникнення лавини ідентичних фотонів необхідна середовище, у якій порушених атомів було б

більш ніж невозбужденных, оскільки за взаємодії фотонів з невозбужденными атомами відбувалося б поглинання фотонів. Така середовище називається середовищем з инверсной населенностью рівнів енергії (рис. 2).

Рис.2

Схематическое зображення середовища з инверсной населенностью рівнів енергії.

 


       Отже, крім вимушеного випущення фотонів збудженими атомами відбуваються також процес самовільного, спонтанного випущення фотонів під час переходу порушених атомів в невозбужденное стан та інформаційний процес поглинання фотонів під час переходу атомів з невозбужденного стану в порушена. Ці три процесу, супроводжують переходи атомів в порушені гніву й назад, були постулированы, як зазначалося вище, А. Ейнштейном в 1916 р.

   Якщо порушених атомів велике, і є инверсная населеність рівнів (у верхній, порушену стані атомів більше, ніж у нижньому, невозбужденном), то перший фотон, що у результаті спонтанного випромінювання, викликає наростаючу лавину появи ідентичних йому фотонів. Відбудеться посилення спонтанного випромінювання.

   При одночасному народженні (принципово може бути) значної частини спонтанно випущених фотонів виникає велика кількість лавин, кожна з яких поширюватиметься у своїй напрямі, заданому початковою фотоном відповідної лавини.

Рис.3

Спонтаннородившиеся фотони, напрям поширення яких немає перпендикулярно площині дзеркал, створюють лавини фотонів, котрі виступають поза межі середовища

У результаті одержимо потоки квантів світла, але з зможемо одержати ані спрямованого променя, ні високої монохроматичности, оскільки кожна лавина ініціювалася власним початковою фотоном. Щоб середу ввечері з инверсной населенностью можна було використовуватиме генерації лазерного променя, т. е. Спрямованого променя із високим монохроматичностью, необхідно "знімати" инверсную населеність з допомогою первинних фотонів, вже які мають одному й тому ж спрямованістю випромінювання та одному й тому ж енергією, яка відповідає енергією даного переходу в атомі. І тут ми не матимемо лазерний підсилювач світла. 

Існує, проте, інший варіант отримання лазерного променя, пов'язані з використанням системи зворотний зв'язок. На рис. 3 видно, що спонтанно народжені фотони, напрям поширення яких перпендикулярно площині дзеркал, створюють лавини фотонів, котрі виступають поза межі середовища. У той самий час фотони, напрям поширення яких перпендикулярно площині дзеркал, створять лавини, багаторазово усилившиеся серед внаслідок багаторазового відображення від дзеркал. Якщо одна з дзеркал володітиме невеликим пропусканием, то нього виходитиме спрямований потік фотонів перпендикулярно площині дзеркал. При правильно підібраному пропущенні дзеркал, точної їх настроюванні щодо одне одного й щодо подовжньої осі середовища з инверсной населенностью зворотний може бути настільки ефективної, що випромінювання "убік" можна буде потрапити повністю знехтувати проти випромінюванням, які виходять через дзеркала. Насправді це, справді, вдасться зробити. Таку схему зворотний зв'язок називають оптичним резонатором, і саме ця тип резонатора використовують у більшості існуючих лазерів.

Деякі унікальні властивості лазерного випромінювання

   Розглянемо деякі унікальні властивості лазерного випромінювання. При спонтанному випромінюванні атом випромінює спектральную лінію кінцевої ширини. При лавинообразном наростання числа вимушено випущених фотонів серед з инверсной населенностью інтенсивність випромінювання цієї лавини зростатиме, передусім, у центрі спектральною лінії даного атомного переходу, і цього цього процесу ширина спектральною лінії початкового спонтанного випромінювання зменшуватиметься. Насправді у спеціальних умовах вдасться зробити відносну ширину спектральною лінії лазерного випромінювання удесятеро7 - 108 разів менша, ніж ширина самих вузьких ліній спонтанного випромінювання, можна побачити у природі.

   Крім звуження лінії випромінювання в лазері вдасться одержати расходимость променя менш 10-4 радіана, т. е. На рівні кутових секунд.

   Відомо, що спрямований вузький промінь світла можна отримати принципі від будь-якої джерела, поставивши по дорозі світлового потоку ряд екранів із малими отворами, розташованими в одній прямий. Уявімо, що ми взяли нагріте чорне тіло і з допомогою діафрагм отримали промінь світла, з яких у вигляді призми чи іншого спектрального приладу виділили промінь із шириною спектра, відповідної ширині спектра лазерного випромінювання. Знаючи потужність лазерного випромінювання, ширину його спектра і кутову расходимость променя, можна з допомогою формули Планка обчислити температуру уявного чорного тіла, використаного як джерело світлового променя, еквівалентного лазерного променю. Цей розрахунок призведе нас до фантастичною цифрі: температура чорного тіла мусить бути порядку десятків мільйонів градусів! Дивовижна властивість лазерного променя - його висока ефективна температура (навіть за відносно малій середньої потужності лазерного випромінювання чи малої енергії лазерного імпульсу) відкриває перед дослідниками великі можливості, абсолютно не здійсненні без використання лазера.

Застосування лазерів у різних технологічними процесами

Поява лазерів відразу справила і продовжує впливати різні галузі техніки, де можна було застосування лазерів на вирішення конкретних наукових закладів та технічних завдань. Проведені дослідження таки підтвердили можливість значного поліпшення багатьох оптичних приладів та систем

Страница 1 из 5 | Следующая страница

Схожі реферати:

Навігація