ТЕМА: ЛАЗЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

      Содержание

      Введение...........................................................................................……….

      1. Особенности лазерного излучения.............................................................

      2. Газовые лазеры......................................................................................

      3. Полупроводниковые лазеры......................................................................

      4. Лазерные технологии.............................................................................

      5. Использование лазера............................................................................

      5.1 Лазерный луч в роли сверла..................................................................

      5.2.Лазерная  резка и сварка........................................................................

      5.3.Лазерный  луч в роли хирургического  скальпеля.........................................

      5.4.Лазерное  оружие.................................................................................

      Заключение.......................................................................................

      Список  использованных источников......................................................... 
 

      Введение

      Острый  тонкий пучок лучей рубинового цвета  прорезал пространство...Миновав земную атмосферу, он устремляется в космос к далеким звездным мирам.

      Давление  света, сконцентрированного на малой  площадке, достигает миллиона атмосфер. Лучом можно проколоть или  разрезать металлический лист из самого твердого и тугоплавкого металла. Фантастика? Нет, последнее достижение квантовой электроники, известное  под названием «ЛАЗЕР» или, иначе  «оптический квантовый генератор». Лазеры появились в 1960году. Их появлению  предшествовали фундаментальные работы советских ученых В.А.Фабриканта, Н.Г.Басова, А.М.Прохорова, американского ученого  Ч.Таунса. В частности, лазеры нашли  применение для сверхдальней связи. Они позволили исследовать поверхность  Луны, их устанавливают на искусственных  спутниках Земли и на космических  кораблях. В пути лазеры передают сигналы  на Землю с расстояния в десятки  миллионов километров и позволяют  управлять движением кораблей и  корректировать их траекторию.

      Мечта о концентрации энергии света  зародилась еще в глубокой 
древности. Отражение ее мы находим в известной легенде об Архимеде, 
сжегшем направленными при помощи зеркал лучами солнца корабли 
римского флота во время осады Сиракуз. А если вспомнить фантастический роман А.Толстого «Гиперболоид инженера Гарина»? Гиперболоид, при помощи которого его изобретатель инженер Гарин хотел стать властелином мира.

      В фантастической литературе можно найти  много описаний действия лучей разрушения и смерти. Все они, однако, включая  и гиперболоид инженера Гарина, грешат против законов физики и прежде всего  против основного ее закона - закона сохранение энергии. Невозможно путем  обычных средств современной  оптики - нагромождением только зеркал, линз или призм - беспредельно концентрировать  энергию имеющихся в распоряжении современной техники источников света. Нельзя сконцентрировать при  помощи зеркала солнечные лучи в  один тонкий, как игла, луч и послать  его на расстояние в несколько  километров. Расчет показывает, что  для объекта, находящегося от зеркала  на расстоянии всего 1 км, потребовалось  бы зеркало 
диаметром 500м., а для того чтобы вызвать загорание дерева, надо было бы обладать источником света, яркость которого в миллион раз превышает яркость Солнца.

      Как показал Г.Г.Слюсарев в своей книге  «О возможном и невозможном в  оптике», нельзя в действительности получить пучок параллельных лучей  и еще сжать его в узкий  шнур. В схемах геометрической оптики мы, конечно, пользуемся понятием точечного  источника света, который, будучи помещен  в главном фокусе вогнутого зеркала (притом параболического, а не гиперболического, как ошибочно полагал инженер Гарин) или в главном фокусе линзы, дает на чертеже пучок параллельных лучей. Но это только на чертеже, в действительности точечный источник и пучок параллельных 
лучей немыслимы. Приводимый расчет доказывает математически, что если бы параллельные лучи и были возможны, то они не несли бы с собой никакой энергии. Доказательство основывается на законах оптики, все фантастические проекты сжигания на расстоянии не учитывают этого закона, не говоря уж о законах рассеяния, дифракции и интерференции света.

      Посмотрим теперь, как же решается задача генерации  когерентного света 
при помощи лазеров. Эти новые источники света действительно излучают почти, (но не полностью!) параллельные лучи. Но физическая основа их совершенно иная, чем основа оптических систем, о которых мечтали фантасты.

      1. Особенности лазерного  излучения

      Теперь  рассмотрим, какие процессы происходят в лазере. Лазер 
представляет собой источник монохроматического когерентного света с 
высокой направленностью светового луча. Само слово «лазер» составлено из первых букв английского словосочетания, «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation», означающего «усиление света в результате вынужденного излучения». Действительно, основной физический процесс, определяющий действие лазера, - это вынужденное испускание излучения. Оно происходит при взаимодействии фотона с возбужденным атомом при 
точном совпадении энергии фотона с энергией возбуждения атома (или 
молекулы).

      В результате этого взаимодействия возбужденный атом переходит в 
невозбужденное состояние, а избыток энергии излучается в виде нового 
фотона с точно такой же энергией, направлением распространения и 
поляризацией, как и у первичного фотона. Таким образом, следствием 
данного процесса является наличие уже двух абсолютно идентичных 
фотонов с возбужденными атомами, аналогичными первому атому, может возникнуть «цепная реакция» размножение одинаковых фотонов, «летящих» абсолютно точно в одном направлении, что приведет к появлению узконаправленного светового луча. Для возникновения лавины идентичных фотонов необходима среда, в которой возбужденных атомов было бы больше, чем не возбуждённых, поскольку при взаимодействии фотонов с невозбужденными атомами происходило бы поглощение фотонов. Такая среда называется средой с инверсной населённостью уровней энергии.

      Итак, кроме вынужденного испускания фотонов  возбужденными 
атомами происходит также процесс самопроизвольного, спонтанного 
испускания фотонов при переходе возбужденных атомов в невозбужденное состояние и процесс поглощения фотонов при переходе атомов из невозбужденного состояния в возбужденное. Эти три процесса, сопровождающие переходы атомов в возбуждённое состояние и обратно, были постулированны А. Энштейном в 1916 г.

      Если  число возбуждённых атомов велико и  существует инверсная 
населённость уровней (в верхнем возбуждённом состоянии атомов больше, чем в нижнем, невозбуждённом), то первый же фотон, родившийся в результате спонтанного излучения, вызовет все нарастающую лавину появления идентичных ему фотонов. Произойдёт усиление спонтанного излучения.

      На  возможность давления света в  среде с инверсной населённостью  за счёт вынужденного испускания впервые  указал в 1939 г. советский физик В.А. Фабрикант, предложивший создать инверсную  населённость в электрическом разряде  в газе.

      При  одновременном рождении (принципиально   это возможно) 
большого   числа спонтанно испущенных фотонов возникнет большое 
число лавин,  каждая из которых будет распространяться в  своем 
направлении, заданном     первоначальным фотоном соответствующей 
лавины. В результате мы получим потоки квантов света, но не сможем 
получить ни направленного луча, ни высокой монохроматичности, так 
как   каждая лавина инициировалась собственным   первоначальным 
фотоном. Для того чтобы среду с инверсной населенностью можно было 
использовать для генерации лазерного луча, т. е. направленного луча с 
высокой монохроматичностью, необходимо    "снимать" инверсную 
населенность с помощью первичных фотонов, уже обладающих одной и 
той же энергией, совпадающей с энергией данного перехода в атоме. 
В этом случае мы будем иметь лазерный усилитель света.

      Существует, однако, и другой   вариант получения  лазерного 
луча, связанный с использованием системы обратной связи. Спонтанно 
родившиеся   фотоны,   направление   распространения   которых не 
перпендикулярно плоскости зеркал, создадут лавины фотонов, выходящие за пределы среды. В то же время фотоны, направление распространения которых перпендикулярно плоскости зеркал, создадут лавины, многократно усиливающиеся в среде вследствие многократного отражения от зеркал. Если одно из зеркал будет    обладать небольшим пропусканием, то через него будет выходить направленный поток   фотонов перпендикулярно плоскости зеркал. При правильно подобранном пропускании зеркал, точной их настройке относительно друг друга и относительно продольной оси среды с инверсной  населенностью  обратная связь  может оказаться настолько эффективной, что излучением "вбок" можно будет полностью 
пренебречь по сравнению с излучением, выходящим через зеркала. На 
практике это, действительно, удается сделать. Такую схему обратной 
связи называют оптическим резонатором, и именно этот тип резонатора 
используют в большинстве существующих лазеров.

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

      Спустя  несколько лет, в 1960 г.,   американским физиком   Т. 
Мейманом был   запущен первый   квантовый генератор оптического 
диапазона - лазер, в котором обратная связь осуществлялась с помощью 
описанного выше оптического резонатора, а инверсная   населенность 
возбуждалась в кристаллах рубина, облучаемых излучением ксеноновой 
лампы-вспышки.   Рубиновый кристалл представляет собой кристалл 
оксида алюминия Al2O3 с небольшой добавкой = 0,05% хрома. При 
добавлении атомов хрома прозрачные кристаллы рубина приобретают 
розовый цвет и поглощают   излучение в   двух полосах   ближней 
ультрафиолетовой области   спектра. Всего кристаллами     рубина 
поглощается около 15% света лампы-вспышки. При поглощении света 
ионами хрома происходит переход ионов в возбужденное состояние. В 
результате внутренних процессов возбужденные ионы хрома переходят в 
основное состояние не сразу, а через два возбужденных уровня. На этих 
уровнях происходит накопление ионов, и при достаточно мощной вспышке ксеноновой     лампы возникает     инверсная населенность между промежуточными уровнями и основным уровнем ионов хрома.

      Торцы рубинового стержня  полируют, покрывают  отражающими 
интерференционными     пленками, выдерживая  при  этом  строгую 
параллельность торцов друг другу.

      При возникновении инверсии населенностей  уровней ионов хрома 
в рубине происходит лавинное нарастание числа вынужденно испущенных фотонов, и обратной связи на оптическом резонаторе, образованном зеркалами на торцах рубинового стержня, обеспечивает формирование узконаправленного  луча  красного  света.  Длительность  лазерного импульса=0.0001 с, немного короче длительности вспышки ксеноновой лампы. Энергия импульса рубинового лазера около 1ДЖ.

      С помощью механической системы (вращающееся  зеркало) или 
быстродействующего электрического затвора можно "включить" обратную связь (настроить одно из зеркал) в момент достижения максимальной инверсии населенностей и, следовательно, максимального усиления активной среды. В этом случае мощность индуцированного излучения будет чрезвычайно велика и инверсия населенности "снимется" вынужденным излучением за очень короткое время.

      В этом режиме модулированной добротности  резонатора излучается 
гигантский импульс лазерного излучения. Полная энергия этого импульса останется приблизительно на том же уровне, что и в режиме "свободной генерации", но вследствие сокращения в сотни раз длительности импульса также в сотни раз возрастает мощность излучения, достигая значения =100000000Вт.