Лазерное излучение и его применение

             ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

     ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

          ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

     «ВОРОНЕЖСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

                                              УНИВЕРСИТЕТ»

                                            (ГОУВПО «ВГТУ») 

                           ВЕЧЕРНЕГО И ЗАОЧНОГО ОБУЧЕНИЯ

                                                                                                факультет 
 

     Кафедра оборудования и технологии сварочного производства 
 
 

                                           КУРСОВАЯ РАБОТА

     по  дисциплине «Теоретические основы прогрессивных  технологий»

     Тема: «Лазерное излучение и его  применение» 
 
 
 

     Выполнил  студент группы ЭК-091   ______________ Бородкин А.Н.  

                                Подпись, дата 

     Руководитель                                     ______________ Селиванов В.Ф.

                                                                        Подпись, дата 

     Члены комиссии                                ___________________________

                                                                        Подпись, дата 

                                                                 ___________________________

                                                                        Подпись, дата 
 

     Нормоконтроллер                              ___________________________

                                                                        Подпись, дата 
 

     Защищена________________            Оценка_____________________

                                 Дата 
 
 
 
 
 
 

                                                  2010

     План.

Введение.                                                                                      3

1.Свойства  лазерного излучения.                                                8

2. Принцип  действия лазера.

3. Классификация лазеров.

4. Характеристики  лазерного излучения.

5. Виды  лазеров.

         5.1 Твердотельный лазер.

        5.2 Газовый лазер.

        5.4 Полупроводниковый лазер.

        5.5 Химический лазер.

        5.6 Ультрафиолетовый лазер.

        5.7 Лазер на свободных электронах.

        5.8 Лазер на иттрий-алюминиевом гранате (ИАГ).

       5.9 Апротонный жидкостный лазер.

         5.10 Лазер на парах меди.

         5.11 Газодинамический лазер.

        6. Применение лазеров.

          6.1 Лазеры в медицине.

            6.2 Лазеры в информационных технологиях.

           6.3 Применение лазеров в военном  деле.

           6.4 Лазеры в промышленности. Обработка материалов и сварка.

       Заключение. 

     

       
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Введение.

     В 1964 г. на церемонии вручения Нобелевской  премии в Стокгольме акад. А. М. Прохоров сказал: «Квантовая электроника возникла в конце 1954 и начале 1955 г., фундаментом квантовой электроники следует считать явление индуцированного излучения, предсказанное А. Эйнштейном в 1917 г.».

     Сущность  этого явления заключается в том, что возбужденные атомы под воздействием внешнего излучения переходят в состояние с меньшей энергией, излучая при этом электромагнитные волны.

     Однако  только много лет спустя появилась  мысль использовать это явление практически. В авторском свидетельстве СССР № 123209 от 18.06.51 г., выданном В. А. Фабриканту и его сотрудникам, записано: «Способ усиления электромагнитных излучений (ультрафиолетового, видимого, инфракрасного и радио диапазонов волн), отличающийся тем, что усиливаемое излучение пропускают через среду, в которой с помощью вспомогательного излучения или другим путем создают избыточную по сравнению с равновесной концентрацию атомов других частиц или их систем на верхних энергетических уровнях, соответствующих возбужденным состояниям». Эта формулировка практически охватывает все, что можно представить себе под термином «квантовое усиление».

     Явление вынужденного излучения легло в  основу современной квантовой электроники и лазерной техники. Несколько позднее (1953 г.) Дж. Вебером был предложен квантовый усилитель.

     В 1956 г. Н. Бломберген теоретически разработал вопрос о парамагнитном твердотельном усилителе по схеме трех уровней, а в 1957 г. Г. Сковил построил такой усилитель. Однако все квантовые устройства, разработанные к 1960 г., охватывали СВЧ-диапазон радиоволн и назывались мазерами.

     Первый  молекулярный генератор (мазер) был  разработан в 1954 г. в   Физическом   институте АН СССР  им.  П.  Н. Лебедева в Москве Н. Г. Басовым, А. М. Прохоровым и одновременно и независимо Ч. Таунсом, Д. Гордоном и X. Цайгером в Колумбийском университете в Нью-Йорке. Это событие официально принято считать началом становления квантовой электроники как науки.

     Теория  мазера была развита Н. Г. Басовым, А. М. Прохоровым и оказала значительное влияние на последующие работы в этой области

     Следующий этап развития квантовой электроники  связан с перенесением ее принципов в оптический диапазон электромагнитных волн. В 1958 г. Ч. Таунс, А. Л. Шавлов и А. М. Прохоров показали возможность использования явлении вынужденного усиления в поле оптических излучений. О значении, которое придается этим исследованиям, можно судить по тем фактам, что в 1959 г. советским ученым Н. Г. Басову и А. М. Прохорову была присуждена Ленинская премия, а в 1964 г. они же и американский ученый Ч. Таунс удостоились присуждения Нобелевской премии по физике и за фундаментальные труды в области квантовой электроники.

     Первый  действующий лазер на рубиновом  стержне был создан Т. Майманом в 1960 г., а 13.06.61 г. ему был выдан патент № 3353115. Это открытие дало толчок бурному развитию лазерной техники. Элементы лазера Маймана лежат в основе всех современных лазеров. Пророческими оказались и его слова, что когда будет решена задача управления лучом лазеров и обеспечен приемлемый к. п. д., применения лазеров будут ограничены лишь воображением и изобретательностью инженеров.

     А. Джаван построил первый газовый лазер, работающий на смеси неона и гелия, в котором инфракрасное когерентное излучение испускали атомы неона. На основании спектроскопических исследований он предположил, что электрический разряд в смеси неона и гелия должен создать инверсии населенностей уровней, и, несмотря на скептицизм ученых, знакомых с его работой, упорно искал экспериментальное подтверждение лазерного эффекта в газах. В конце 1960 г. его усилия увенчались успехом.

     Создание  первых лазеров ускорило развитие новой  области физики — нелинейной оптики, изучающей нелинейные оптические эффекты при воздействии на среды мощного вынужденного излучения. Значительный вклад в исследование нелинейных оптических явлений внесли ученые-физики С. И. Вавилов, С. А. Ахманов, Г. С. Горелик, Р. В. Хохлов, Н. Бломберген, Д. Джордмэйн, Р. Терхьюн и др.

     После получения излучения в видимой  области на длине волны Я₀ = = 0,6328 мкм генерация была получена более чем на 460 различных переходах между уровнями нейтральных атомов 34 химических элементов.

     Первый  молекулярный лазер был создан Р. Пателем в 1964 г. Этот лазер имел к. п. д. примерно 10 % и значительную мощность (около 10 Вт). Разработке первого полупроводникового инжекционного лазера на арсениде галлия (Р. Холл, 1962 г.) предшествовали теоретические исследования полупроводниковых монокристаллов, выполненные Н. Г. Басовым, Б. М. Вулом и Ю. М. Поповым (1958—1961 гг.). Последующие два года были насыщены техническими усовершенствованиями и изобретениями, направленными главным образом на увеличение мощности, компактности, долговечности лазеров.

     С этого момента началось практическое использование лазерного излучения. В многочисленных практических применениях и приборах лазерный луч можно рассматривать как оптический сигнал с уникальными свойствами. Среди приборов с использованием лазеров следует назвать прежде всего лазерные дальномеры и измерители скорости,, квантовые гироскопы, голографические приборы. Честь изобретения и создания в 1934—1936 гг. первого светодальномера, прибора для измерения расстояния по времени прохождения его световыми волнами, принадлежит акад. А. А. Лебедеву. Появление лазеров позволило создать более помехозащищенные прецизионные системы измерения расстояния. Первым в дальномерах был применен полупроводниковый лазер на арсениде галлия с модулированным излучением.

     В 1913 г. французский физик М. Саньяк, проводя опыты с целью проверки гипотезы ньютоновского «эфира», открыл вихревой оптический эффект. Суть его состоит в получении частоты сдвига бегущей интерференционной картины в результате сложения направленных навстречу друг другу излучений от источника, размещенного на вращающемся основании. В 1962 г. А. Розенталь и У. Мапек предложили для измерения скорости вращения Земли использовать датчик угловой скорости, основанный на эффекте Саньяка, с лазером в качестве источника бегущей волны. Это была принципиальная схема квантового гироскопа.

     В 1948 г. Д. Габор, занимаясь улучшением качества изображения в электронных микроскопах, открыл новый метод восстановления амплитуды и фазы световых волн. Восстановление цветных трехмерных изображений, дающих полное ощущение объемности,— одна из самых ярких и чудесных возможностей голографии. Можно с уверенностью сказать, что свое второе рождение голография получила в 1962—1963 гг., когда и Ю. Н. Денисюк (СССР), и Э. Лейт, Ю. Упатниекс (США) применили для нее лазеры и методы лазерной техники.

     Современный этап в развитии квантовой электроники и лазерной техники характеризуется внедрением лазерной технологии в промышленное производство, исследованиями лазерного термоядерного синтеза и разработкой устройств когерентной и интегральной оптики. Интегрально-оптические устройства генерации, распространения, усиления, преобразования и детектирования лазерного излучения в тонкопленочных волноводных структурах — реальность сегодняшнего дня.

     Квантовые приборы, устройства и системы в  основном можно классифицировать следующим образом:

     квантовые стандарты длины, частоты и времени;

     квантовые усилители оптического (лазерные усилители) и СВЧ-диапазона длин волн (молекулярные, парамагнитные и т. д.);

     лазеры;

     преобразователи частоты лазерного излучения;

     лазерные  модуляционные устройства;

     лазерные системы (лидары, гирометры, лазерные доплеровские измерители угловой скорости, системы оптической связи, вычислители и т. д.); лазерные технологические методы и оборудование для обработки материалов, запись и отображение информации, лазерные интегрально-оптические устройства и т. д.

     Наиболее  обширным классом квантовых приборов являются лазеры, которые в основном классифицируют по трем признакам: режиму работы, типу активной среды и способу накачки.