Лазер

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

федеральное государственное  бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального  образования

«Забайкальский государственный  университет»

(ФГБОУ ВПО «ЗабГУ»)

Факультет экономики и  информатики 

Кафедра прикладной информатики  и математики

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

 

 

 

по дисциплине: «Концепции современного естествознания»

 

на тему  «Лазер»

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил  ст. гр. УПб – 12 - 1

                        Трофимова О.Д.

          Проверил

Иванова Т.В.

 

 

 

 

 

 

 

Чита

2013

Содержание:

 

 

Введение……………………………………………………………………….3

 

I.Принцип применения лазеров……………………………………………. 4

II. Область применения лазеров ………………………………………….…5

2.1 Применение лазеров  в промышленности ………………….…….....….6

2.2 Использование лазеров  в информационных технологиях…………....7

Заключение…………………………………….………….…….………….…9

Список использованной литературы………………………………………12                              

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

В   1917   г.   Эйнштейн   предсказал   возможность   так   называемого индуцированного (вынужденного) излучения света атомами.  Под  индуцированным излучением понимается излучение возбужденных атомов под действием  падающего на них света. Замечательной особенностью этого излучения  является  то,  что возникшая при индуцированном  излучении  световая  волна  не  отличается  от волны, падающей на атом, ни частотой, ни фазой, ни поляризацией. На языке квантовой теории вынужденное излучение означает переход  атом из высшего энергетического состояния в низшее, но  не  самопроизвольно,  как при обычном излучении, а под влиянием внешнего воздействия. Еще в 1940 г. советский физик В. А. Фабрикант  указал  на  возможность использования    явления     вынужденного     излучения     для     усиления электромагнитных   волн. В 1954 г. советские ученые Н.  Г.  Басов  и  А.  М. Прохоров и независимо  от  них  американский  физик  Ч.  Таунс  использовали явление индуцированного излучения  для  создания  микроволнового  генератора радиоволн с длиной волны       ==1,27  см.  За  разработку  нового  принципа генерации и усиления радиоволн Н. Г. Басову и А. М. Прохорову  была  в  1959 г. присуждена   Ленинская   премия. В 1963 г. Н. Г. Басов, А. М. Прохоров  и Ч. Таунс были удостоены Нобелевской премии. В 1960  г.  в  CШA  был создан  первый  лазер — квантовый генератор электромагнитных волн в видимом диапазоне спектра. Лазерные источники света обладают  рядом  существенных  преимуществ  по сравнению с другими источниками света:

1.  Лазеры  способны  создавать  пучки  света   с  очень   малым   углом расхождения (около 10~5 рад). На Луне такой пучок, испущенный с Земли,  дает пятно диаметром 3 км.

2. Свет лазера обладает  исключительной монохроматичностью. В отличие от обычных источников света, атомы которых излучают  свет  независимо  друг  от друга, в лазерах атомы излучают свет согласованно.  Поэтому  фаза  волны  не испытывает нерегулярных изменений.

3.  Лазеры   являются   самыми  мощными  источниками   света.  В   узком интервале   спектра   кратковременно   (в   течение    промежутка    времени продолжительностью порядка 10~13 с) у некоторых  типов  лазеров  достигается мощность излучения 1017 Вт/см2, в то время как мощность  излучения Солнца равна только 7-103 Вт/см2, причем суммарно по всему  спектру.  На  узкий  же интервал     =10~6  см  (ширина  спектральной  линии  лазера)  приходится  у Солнца  всего  лишь  0,2  Вт/см2.  Напряженность   электрического   поля   в электромагнитной волне, излучаемой  лазером,  превышает  напряженность  поля внутри атома. В обычных  условиях  большинство  атомов  находится  в  низшем энергетическом  состоянии.  Поэтому  при  низких  температурах  вещества  не светятся. При прохождении электромагнитной волны сквозь вещество ее  энергия поглощается. За счет поглощенной энергии волны  часть  атомов  возбуждается, т. е. переходит в высшее энергетическое состояние. Существуют различные методы получения среды с возбужденными состояниями атомов. В рубиновом  лазере  для  этого   используется   специальная  мощная лампа. Атомы возбуждаются за счет поглощения света. Но двух уровней энергии для работы лазера недостаточно. Каким бы мощным ни  был  свет  лампы,  число  возбужденных  атомов  не  будет  больше  числа невозбужденных. Ведь  свет  одновременно  и  возбуждает  атомы,  и  вызывает индуцированные переходы с верхнего уровня на нижний. В газовых лазерах этого типа  рабочим  веществом  является  газ.  Атомы рабочего вещества возбуждаются электрическим разрядом. Применяются  и  полупроводниковые  лазеры  непрерывного  действия.  Они созданы впервые в нашей стране. В них энергия для излучения заимствуется  от электрического тока.

I. Принцип действия лазера

Лазеры обычно называют оптическими  квантовыми генераторами. Уже из этого названия видно, что в основе работы лазеров лежат процессы, подчиняющиеся законам квантовой механики. Согласно квантово-механическим представлениям, атом, как, впрочем, и другие частицы (молекулы, ионы и др.) поглощают и излучают энергию определёнными порциями – квантами. При обычных условиях в отсутствии каких-либо внешних воздействий атом находится в невозбуждённом состоянии, соответствующем наиболее низкому из возможных энергетическому уровню. В таком состоянии атом не способен излучать энергию. При поглощении кванта энергии атом переходит на более высокий энергетический уровень, то есть возбуждается. Переход атома с одного энергетического уровня на другой происходит дискретно, минуя все промежуточные состояния. Время нахождения атома в возбуждённом состоянии ограничено и в большинстве случаев невелико. Излучая энергию атом переходит снова в основное состояние. Этот переход осуществляется самопроизвольно, в отличие от процесса поглощения квантов, которое является вынужденным (индуцированным). Лазеры генерируют излучение в инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой областях спектра, что соответствует диапазону электромагнитных волн, называемому светом. В связи с этим наиболее интересным представляется рассмотрение механизма взаимодействия атомов именно с этой частью спектра электромагнитных излучений. Свет, как известно, имеет двойственную природу: с одной стороны – это волна, характеризующаяся определённой частотой, амплитудой и фазой колебаний, с другой стороны – поток элементарных частиц, называемых фотонами. Каждый фотон представляет собой квант световой энергии. Энергия фотона прямо пропорциональна частоте световой волны, которая, в свою очередь, определяет цвет светового излучения. Поглощая фотон, атом переходит с более низкого энергетического уровня на более высокий. При самопроизвольном переходе на более низкий уровень атом испускает фотон. Для атомов конкретного химического элемента разрешены только совершенно определённые переходы между энергетическими уровнями. В следствие этого атомы поглощают только те фотоны, энергия которых в точности соответствует энергии перехода атома с одного энергетического уровня на другой. Визуально это проявляется в существовании для каждого химического элемента индивидуальных спектров поглощения, содержащих определённый набор цветных полос. Фотон, испускаемый атомом при переходе на более низкий энергетический уровень, так же обладает совершенно определённой энергией, соответствующей разности энергий между энергетическими уровнями. По этой причине атомы способны излучать световые волны только определённых частот. Этот эффект наглядно проявляется при работе люминесцентных ламп, часто используемых в уличной рекламе. Полость такой лампы заполнена каким-либо инертным газом, атомы которого возбуждаются ультрафиолетовым излучением, которое возникает при пропускании электрического тока через специальный слой, покрывающий внутреннюю поверхность оболочки лампы. Возвращаясь в основное состояние атомы газа дают свечение определённого цвета. Так, например, неон даёт красное свечение, а аргон – зелёное. Самопроизвольные (спонтанные) переходы атомов с более высокого энергетического уровня на более низкий носят случайный характер. Генерируемое при этом излучение не обладает свойствами лазерного излучения: параллельностью световых пучков, когерентностью (согласованностью амплитуд и фаз колебаний во времени и пространстве), монохромностью (строгой одноцветностью). Однако, ещё в 1917 году Альберт Эйнштейн предсказал существование наряду со спонтанными переходами на более низкий энергетический уровень индуцированных переходов. В последствии эта возможность была реализована в конструкции лазеров. Сущность этого явления состоит в том, что фотон светового потока, встречая на своём пути возбуждённый атом выбивает из него фотон с точно такими же характеристиками. В результате число одинаковых фотонов удваивается. Вновь образовавшийся фотон, в свою очередь, способен генерировать ещё один фотон, выбивая его из другого возбуждённого атома. Таким образом, число одинаковых фотонов лавинообразно нарастает. Генерируемое при этом излучение характеризуется высокой степенью параллельности пучков светового потока, когерентности и монохромности, так как в нём присутствуют только те фотоны, которые обладают одинаковой энергией и направлением движения. Очевидно, что индуцированное излучение может возникать только в тех системах, где число возбуждённых атомов достаточно велико. На практике число возбуждённых атомов должно превышать 50% от общего числа атомов в системе. В равновесных системах достижение этого условия невозможно, так как число переходов с ниже лежащего уровня на выше лежащий равно числу обратных переходов. Для получения эффекта индуцированного излучения систему необходимо перевести в неравновесное, а, следовательно, неустойчивое состояние. Кроме того интенсивность внешнего светового потока, предоставляющего исходные фотоны для начала процесса так же должна быть достаточной.

II. Области применения лазеров                   

Уникальные свойства лазерного  луча, многообразие конструкций современных  лазеров и устройств на их основе обуславливают широкое применение лазерных технологий в различных  областях человеческой деятельности: промышленности, науке, медицине и быту. Появление лазеров и внедрение  их во многие отрасли промышленности и науки произвело в этих отраслях в буквальном смысле революцию. Благодаря  этому стало возможным развитие новых более эффективных технологий, повышение производительности труда, точности измерений и качества обработки  материалов. Рассмотрим здесь лишь наиболее важные области применения лазерной техники.

2.1 Применение лазеров  в промышленности                

Сразу же после появления  лазеров и начала исследования взаимодействия лазерного луча с различными материалами  стало ясно, что этот инструмент может найти широкое применение в разнообразных промышленных технологических  процессах. Дело в том, что лазерный импульс несёт в себе огромный запас энергии (рубиновый лазер при кратковременном импульсе может достичь мощности в несколько миллиардов ватт. При попадании подобного луча на поверхность материала он вызывает мгновенное разогревание этой поверхности вплоть до испарения даже очень тугоплавкого материала. Это обстоятельство используется при сверлении отверстий в твердых материалах, резке и сварке металлов и пластмасс, заточке режущих инструментов, в том числе изготовленных из сверхтвердых сплавов. Сверление отверстий в алмазных фильерах при помощи традиционных способов занимает около двух часов. Этот же процесс, осуществляемый при помощи лазерной установки, длится не более 0,1секунд. Для того чтобы прожечь стальную пластинку толщиной 1 мм лучом лазера, достаточно импульса длительностью в одну тысячную секунды с энергией 0,5 дж. В результате получается отверстие порядка 0,1—0,2 мм. Лучом такой же мощности можно сварить два куска фольги толщиной 0,05мм или две тонкие проволочки. Чтобы прожечь стальную пластинку толщиной до 5 мм, нужен импульс с энергией от 20 до 100 дж. В этом случае луч лазера необходимо сфокусировать в одну точку, для чего применяется система линз. Отверстия, образующиеся в металле под действием такого луча, обычно бывают довольно большого диаметра. Современная радиоэлектронная промышленность выпускает большое число разнообразных приборов и устройств от простого радиоприёмника до сверхсовременных компьютеров. Основу этих устройств составляют полупроводниковые блоки и интегральные схемы, имеющие очень небольшие размеры и тонкую структуру. Соединение отдельных блоков в единое целое часто сопряжено с определёнными трудностями. И здесь на выручку приходят лазерные технологии, позволяющие соединить между собой и с изолирующей подложкой эти тонкие узлы. Лазерный луч можно сконцентрировать в очень тонкий пучок, имеющий на малых расстояниях практически нулевую расходимость. Это позволяет сконцентрировать излучаемую энергию на очень малой площади, например, соответствующей площади контакта между блоками электронной схемы. Другой важной областью применения лазеров в промышленности можно считать использование их в различных контрольно-измерительных приборах. Луч лазера представляет собой электромагнитную волну со строго определённой длинной. Зная какое количество длин волн данного лазера укладывается в определённом отрезке, например, в одном метре, всегда можно вычислить расстояние от источника лазерного излучения до того или иного объекта. На практике это определяется по потере мощности лазерного излучения при отражении его от объекта. Отражённый луч лазера воспринимается фотоэлементом, в результате чего в анализирующей электрической цепи возникает ток, пропорциональный интенсивности отражённого луча. Лазерные установки могут быть так же использованы для контроля степени чистоты обработки поверхности материала и даже внутренней структуры этих материалов.

2.2 Использование лазеров  в информационных технологиях.        

Поскольку лазерное излучение  является электромагнитной волной, логично  было бы предположить, что лазерный луч можно использовать для передачи информации примерно так же как мы передаём информацию с помощью радиоволн. С теоретической точки зрения никаких препятствий этому нет. Но на практике такая передача информации сталкивается с существенными трудностями. Эти трудности связаны с особенностями  распространения света в атмосфере. Такое распространение, как известно, в значительной степени зависит  от атмосферных помех: тумана, наличия  пыли, атмосферных осадков и т.п. Не смотря на то, что лазерное излучение  обладает совершенно уникальными свойствами, оно так же не лишено этих недостатков. Одним из решений проблемы нейтрализации  влияния атмосферных помех на распространение лазерного луча стало использование волоконно-оптических линий. Основу таких линий составляют тончайшие стеклянные трубочки (оптические волокна), уложенные в специальную  непрозрачную оболочку. Конфигурация оптических волокон рассчитывается таким образом, чтобы при прохождении  по ним лазерного луча возникал эффект полного отражения, что практически  полностью исключает потери информации при её передаче. Волоконно- оптические линии обладают огромной пропускной способностью. По одной нитке такой линии можно одновременно передавать в несколько раз больше телефонных разговоров, чем по целому многожильному кабелю, составленному из традиционных медных проводов. Кроме того на распространение лазерного луча по волоконно- оптическим линиям не оказывают влияние практически никакие помехи. В настоящее время волоконно-оптические линии используются при передаче сигналов кабельного телевидения высокого качества, а так же для обмена информацией между компьютерами через интернет по выделенным линиям. Существуют уже и телефонные линии, построенные с использованием оптических волокон. С появлением полупроводниковых лазеров появилась возможность использования их для записи и чтения информации на информационных носителях – лазерных компакт-дисках. Лазерный диск представляет собой круглую пластинку, изготовленную из алюминия, покрытую прозрачным пластмассовым защитным слоем. В начале изготавливается так называемый мастер-диск, на который с помощью луча лазера наносится информация в двоичном представлении. Лазерный импульс возникает только тогда, когда через записывающее устройство проходит логическая единица. В момент прохождения логического нуля импульс не возникает. В результате в некоторых местах поверхности диска, которые теперь соответствуют логическим единицам в массиве информации, алюминий испаряется. Мастер-диск служит матрицей, с которой печатаются многочисленные копии, причём на копии в тех местах, где на мастер-диске были светоотражающие участки, возникают выемки, рассеивающие свет, а в тех местах, где на мастер- диске были выемки, на копии остаются светоотражающие островки. Чтение информации с компакт-диска осуществляется так же лазером, только значительно меньшей мощности. Луч лазера направляется на вращающийся с большой скоростью диск под некоторым углом. Частота лазерных импульсов синхронизирована со скоростью вращения диска. Луч лазера, попадая на светоотражающий островок, отражается от него и улавливается фотоэлементом. В результате в электрической цепи считывающего устройства возникает ток и сигнал воспринимается как логическая единица. Если же луч лазера попадает на рассеивающую свет выемку, то отраженный луч проходит мимо фотоэлемента и электрического тока в цепи считывающего устройства не возникает. В этом случае сигнал интерпретируется как логический ноль. В настоящее время лазерные компакт-диски широко используются как для хранения компьютерной информации, так и для хранения и распространения музыкальных программ, предназначенных для воспроизведения на лазерных проигрывателях.

Заключение                         

Приведённый выше перечень областей применения лазера является далеко не полным. Здесь не рассматриваются  некоторые специальные области  применения этого инструмента. Одной  из таких областей является голография – объёмная фотография. Использование  лазера при фотографировании позволяет  получить на фотопластинке или фотобумаге закодированное в виде интерференционной  картины трёхмерное изображение  объекта, которое проявляется (восстанавливается) при освещении фотопластинки  лучом лазера той же частоты, что  использовалась при съёмке. Голография находит широкое применение в  различных отраслях науки, техники, метрологии и т.п. Высокая энергия  лазерного излучения позволяет  использовать его при термоядерном синтезе. Как известно, такой синтез протекает только при очень высоких  температурах порядка 10000 и более  градусов. Получить такую температуру  при помощи традиционных средств  затруднительно. Лазер, а ещё лучше  комбинация нескольких лазеров, позволяет  достигнуть подобных температур в течение  долей секунды. Использование лазеров  в химии позволило осуществить  те реакции, которые было невозможно провести ранее. Лазерное излучение  обладает строго определённой длинной  волны, а, следовательно, и энергией. Подбирая частоту лазерного луча, можно активизировать только те химические связи, энергия разрыва которых  совпадает с энергией излучения  лазера. Это позволяет ускорять одни химические реакции и подавлять  другие, то есть проводить селективный  синтез. Многообразны области применения лазеров в военном деле. На их основе создаются различные системы  распознавания объектов по принципу "свой – чужой", системы самонаведения  ракет и бомб. Существуют планы  создания космического лазерного оружия. Постоянное совершенствование конструкции современных лазеров приводит к неуклонному расширению областей их применения. Очевидно в ближайшее время этот процесс будет продолжаться ещё более быстрыми темпами.

Список использованной литературы:                               1.Донина Н.М. Возникновение  квантовой электроники. М.: Наука, 1974. 2.Квантовая электроника  - маленькая энциклопедия. М.: Советская энциклопедия, 1969. 3.Карлов Н.В. Лекции  по квантовой электронике. М.: Наука, 1988. 4.Тарасов Л.В. Физика  процессов в генераторах когерентного оптического излучения. М.: Радио  и связь, 1981. 5.Брюннер В., Юнге К.  Справочник по лазерной технике. Под ред. А.П. Напартовича. М.: Энергоатомиздат, 1991. 6.Приезжев А.В., Тучин В.В., Шубочкин Л.П. Лазерная диагностика  в биологии и медицине. М.: Наука, 1989.