Сделай Сам Свою Работу на 5

Основные принципы работы лазеров





Содержание

1. Введение

2. Лазеры. Общие сведения

3. Классификация лазеров

4. Основные принципы работы лазеров

5. Принцип работы газоразрядных лазеров

6. Применение лазеров

7. Практическая часть

8. Перспективы развития лазеров

9. Список источников информации


 

Введение

Особую роль сегодня лазеры играют в медицине, особенно в таких её отраслях как: косметическая хирургия, коррекция зрения, хирургия, стоматология, диагностика заболеваний и удаление опухолей. Благодаря лазеру можно приварить отслоившуюся сетчатку глаза, производить соединение костных и мышечных тканей. Зачастую лазеры применяются в очистке артерий человека от тромбоцитных бляшек. В косметологии благодаря лазерам можно удалить татуировки, некоторые родимые пятна и даже нежелательные волосы на теле.

Отдельной областью применения лазеров является лазерная связь. В компьютерных и телефонных сетях она обеспечивает обмен информации в режиме полного дуплекса. Лазерное устройство может осуществлять передачу любого светового потока, который доставляется им при помощи оптоволокна или медного кабеля.



Такие лазеры применяются для разрезания материалов, имеющих различную толщину и плотность. При помощи лазера можно вырезать различные формы, даже самые сложные, которые нельзя сделать благодаря другим инструментам.

Так же лазеры используются и в сфере продаж, ибо без лазеров не считывались бы штрих - коды . Очень популярны лазерные принтеры, которые нужны многим людям, потому что при работе данного принтера, точки изображения позиционируются точно.

Лазеры немало важны и в военных целях. Ведь перед тем как выстрелить, нужно точно прицелиться, сделать это помогает лазер. Лазеры применяются для создания систем защиты воздушного, морского и наземного базирования, на основе мощных лазеров.

Лазеры нужны и для голографии, чтобы создать сами голограммы, либо получить голографическое объёмное изображение. Лазеры так же необходимы и в астрономии. Лазер применяют для астрономического телескопа, чтобы создать искусственные опорные звезды в верхних слоях атмосферы.[1],[2]

Целью данной работы является исследование основных свойств лазеров различных типов, способов их применения, а также овладение практическими навыками работы с газоразрядными лазерами.



Задачи данной работы таковы:

1.Изучить основные принципы работы лазера
2.Рассмотреть области применения
3. Ознакомиться с различными видами лазеров
4. Изучить физические основы принципа работы газоразрядного лазера
5. Изучить перспективы развития лазеров
6. Рассмотреть измерение величины малых объектов.


Лазеры. Общие сведения

Ла́зер — ( Произошел от light amplification by stimulated emission of radiation- усиление света с помощью индуцированного излучения ) это устройство, которое преобразует энергию накачки в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения. Основой работой лазера служит квантово-механическое явление вынужденного излучения. Излучение лазера может быть непрерывным, имеющее постоянную мощность , достигающим предельно больших мощностей.
Все лазеры состоят из трёх основных частей:

· активной (рабочей) среды;

· системы накачки (источник энергии);

· оптического резонатора (может отсутствовать, если лазер работает в режиме усилителя). [3]

История создания лазера

В 1917 Эйнштейн выдвинул теорию вынужденного излучения, в которой говорилось о том, что кроме процессов спонтанного поглощения и излучения света существует возможность вынужденного излучения, когда можно «заставить» электроны излучить свет определенной длины волны одновременно.

26 апреля 1951 года Чарльзу Таунсу пришла в голову идея о создании мазера (мазер- квантовый генератор, излучающий когерентные электромагнитные волны сантиметрового диапазона), который был позже продемонстрирован в 1954г. 14 сентября 1957 г Таунс сделал первые наброски мазера в лабораторном журнале, а в 1958 он показал в журнале , что мазер может работать в оптическом диапазоне. 22 марта 1960 г был получен патент на имя Таунса и Шавлова, подтверждающий их право на изобретение оптического лазера. 16 мая 1960 г физик Теодор Мейнман создал первый лазер на рубине. В ноябре 1960-го учеными IBM был продемонстрирован твердотельный лазер, работающий по 4-х уровневой схеме накачки.



Али Яван, Вильям Беннет и Дональд Херриот создали первый газовый лазер, излучающий в ИК области спектра на длине 1.15 мкм.

С начала 1961 года на коммерческих рынках стали появляться лазеры.

Лазер на неодиме появляется в октябре 1961. В 1962 Полупроводниковый лазер на галлий-арсениде изобрели сотрудники GE, IBM, MIT’s Lincoln Laboratory. Лазер на иттрий-алюминиевом гранате появился в июне 1962. В марте 1964 появился аргоновый лазер благодаря Вильяму Бриджесу В 1972 изобретают лазер на квантовой яме. В 1976 создали лазер на свободных электронах. В 1978 появляются лазерные диски. В 1994 мир увидел квантовые каскадные лазеры. [4], [5]

Сейчас наиболее популярны рубиновые, аргоновые, гелий неоновые и разные медицинские лазеры, т.к большинство людей нашей планеты ходят в больницы, к косметологам, а там не обойтись без данных лазеров. Данные лазеры используют для удаления лишних волос, уменьшений растяжек, замедления процесса старения и т.д, что пользуется большой популярностью в наше время. [6]

Классификация лазеров

Существует достаточно много видов лазеры, каждый из которых применяется в своей сфере. Можно выделить:

· твердотельные лазеры на люминесцирующих твердых средах (Диэлектрические кристаллы и стёкла ) – лазеры, в которых в качестве активной среды используется вещество, находящееся в твёрдом состоянии. Используются в медицине, сварке и т.д.

· полупроводниковые лазеры – имеют высокое КПД преобразования энергии в когерентное излучение. Применяются в спектроскопии , в системах накачки других лазеров, а также в медицине .

· лазеры на красителях - лазеры, использующиеся в качестве активной среды раствор флюоресцирующих с образованием широких спектров органических красителей. Применяются в спектроскопических исследованиях

· газовые лазеры — лазеры, активной средой которых является смесь газов и паров. Отличаются высокой мощностью, монохроматичностью, а также узкой направленностью излучения. Применяются в промышленной резке материалов.

· газодинамические лазеры — газовые лазеры, имеющие тепловую накачку.

· эксимерные лазеры — разновидность ультрафиолетового газового лазера, работающего на энергетических переходах эксимерных молекул. Применяются в глазной хирургии.

· химические лазеры — разновидность лазеров, источником энергии для которых служат химические реакции между компонентами рабочей среды. Отличаются широким спектром генерации в ближней ИК -области, большой мощностью непрерывного и импульсного излучения. Применяются в дистанционном разделении металла.

· лазер на свободных электронах — лазеры, активной средой которых является поток свободных электронов. Основной особенностью является возможность плавной широкодиапазонной перестройки частоты генерации. Применяется в кристаллографии.

· квантовые каскадные лазеры − полупроводниковые лазеры, которые излучают в среднем и дальнем инфракрасном диапазоне.

· волоконный лазер — лазер, резонатор которого построен на базе оптического волокна, внутри которого полностью или частично генерируется излучение. Применяются в промышленности для резки металла.

· вертикально-излучающие лазеры - разновидность диодного полупроводникового лазера, который излучает свет в направлении, перпендикулярном поверхности кристалла. Применяются для высокоскоростной передачи данных. [7]


 

Основные принципы работы лазеров

Энергетические уровни – фиксированное количество энергии, которой обладают ядро атома, электрон, атом или молекула.
Самый низкий энергетический уровень- основной. Если атом поглощает какое-то количество энергии, находясь в возбужденном состоянии, то электрон может подняться на орбиталь более высокого уровня. [8]

Принцип действия лазерасложен. В атомах различных веществ электроны движутся вокруг ядра по определенным энергетическим орбитам. Каждой орбите соответствует определенное значение энергии электрона. В невозбужденном состоянии электроны атома занимают более низкие энергетические уровни. Они способны только поглощать падающее на них излучение. В результате взаимодействия с излучением атом приобретает дополнительное количество энергии, и его электроны переходят на более высокие энергетические уровни, т.е. атом перешел в возбужденное состояние.

Возбужденный атом при определенных условиях отдаст полученную энергию, при этом образуются кванты света ,энергия которых равна разности энергии двух уровней. Происходит самопроизвольное, или спонтанное излучение энергии. [9]

 

 

Когерентность - фиксированное фазовое соотношение между значениями величины электрического поля в разных точках пространства или в разное время.[10]

Монохроматическое излучение- электромагнитное излучение одной определенной и строго постоянной частоты[7].

Поляризация волн- характеристика поперечных волн, определяющая пространственную направленность векторных волновых полей.[7]

Накачка лазера

Это процесс перекачки энергии внешнего источника в рабочую среду лазера. Поглощённая энергия переводит атомы рабочей среды в возбуждённое состояние. Когда число атомов в возбуждённом состоянии превышает количество атомов в основном состоянии, возникает инверсия населённости. В этом состоянии начинает действовать механизм вынужденного излучения и происходит излучение лазера.[11],[3]

Накачка бывает разных типов:

· оптическая

· В данную накачку входит источник света, оптическая система для концентрации света и тело лазера. Оптическая накачка воспроизводится с боковой стороны рабочей среды лазера. Наиболее используемые лазеры – твердотельные, либо лазеры на красителях.

· электрическая

· Непосредственная накачка лазеров электрическим током создана для газовых и полупроводниковых лазеров. Газовые лазеры представляют из себя стеклянную трубку, заполненную специальным газом. Под ударами электронов молекулы газа переходят в возбужденное состояние, высвобождая полученную энергию в виде фотонного излучения.

 

· газодинамическая

· Газодинамический лазер состоит из сопла. После мгновенного расширения и адиабатического охлаждения газа рабочее тело попадает в конструкцию, аналогичную газовым лазерам, где возбужденные молекулы переходят в основное состояние, участвуя в вынужденном излучении.

· химическая

· Лазеры, использующие энергию химической реакции — это газовые лазеры, в которых через рабочую зону прокачивают газообразные реагенты. При химической реакции между реагентами образуются молекулы в возбужденном состоянии, переходящие в основное состояние с испусканием фотона.

 

· ядерная

· Любое вещество в эпицентре взрыва превращается в плазму, которая, остывая, вновь образует атомы, но уже возбужденные. Подобный лазер импульсный и одноразовый.[7],[12],[13]

Активная среда

Активной средой лазера является рабочая среда. В ней осуществляется инверсия населенности. В качестве неё используют различные агрегатные состояния вещества такие как: твердые, жидкие, газообразные и плазму.

Цифрой 1 обозначена активная среда. [14]

Оптический резонатор

Оптический резонатор – совокупность нескольких отражающих элементов, образующих открытый резонатор, формирующих стоячую световую волну. Он обеспечивает обратную связь для взаимодействия лазерного излучения с активным элементом.[7]

 








Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту:



©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.