Лазеры

Лазеры Выполнила ученица 11 «А» класса Левина Ксения

Содержание. 1. История создание лазеров. 1.1 Как мазер стал лазером? 1.2. Создание первого лазера. 2. Лазер-устройство и принцип действия. 2.1. Преимущества лазера. 2.2. Из чего должен состоять лазер? 2.3. Предназначение элементов, входящих в строение лазера. 3. Свойства лазерного излучения. 4. Основные виды лазеров. 4.1. Газовые лазеры. 4.2. Жидкостные лазеры. 4.3. Твердотельные лазеры. 4.4. Полупроводниковые лазеры. 5. Применение лазеров. 5.1. Лазеры в медицине. 5.2. Лазерное вооружение. 5.3. Лазерный прицел. 5.4. Лазеры в повседневной жизни.

История создание лазеров. В 1902 году французский химик Жорж Клод изобрел, а в 1910 году показал публике неоновую лампу... Но мысль исследовать газовые разряды ради наблюдения вынужденного излучения в те времена никому не пришла в голову — ведь ученые даже не подозревали о его существовании. А в 1913 году Альберт Эйнштейн высказал гипотезу, что в недрах звезд излучение может генерироваться под действием вынуждающих фотонов. В классической статье «Квантовая теория излучения», опубликованной в 1917 году, Эйнштейн не только вывел существование такого излучения из общих принципов квантовой механики и термодинамики, но и доказал, что оно имеет одинаковое направление, длину волны, фазу и поляризацию к вынуждающему излучению. В 1951 году профессор Колумбийского университета Чарльз Таунс решается воплотить теорию вынужденного излучения на практике и создать такой прибор. В 1954 году он представляет первый в мире реально работающий лазер. Правда, тогда он назывался «мазер» – от английского Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation, что в переводе означает «усиление микроволн с помощью вынужденного излучения».

Как мазер стал лазером? Мазеры смогли совершить несколько значимых открытий: точно определили значение скорости света, в очередной раз подтвердили справедливость теории относительности и даже помогли обнаружить реликтовое излучение расширяющейся Вселенной. При всем этом мазеры оказались не при делах, когда речь шла о традиционной электронике. Действительно, на практике СВЧ-электронике мазеры ничем помочь не могли – прибор излучал на длине волны 1 см и генерировал мощность около 10 нВт. Физики понимали, что квантовые генераторы должны перейти на оптический диапазон, то есть от усиления микроволн к усилению света, или другими словами – от мазера к лазеру (от английского Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – «усиление света посредством вынужденного излучения»).

Создание первого лазера. В 1960 году американский физик Теодор Майман создаёт первый лазер. Это был импульсный рубиновый лазер, который состоял из кристалла рубина (сантиметром в диаметре и около двух в длину) с посеребренными торцами, а также лампы-вспышки. Примерно через год первый лазер был запущен в СССР. Это произошло 2 июня 1961 года в ГОИ, старшим научным сотрудником Л.Д. Хазовым с участием И.М. Белоусовой. Все элементы лазера – рубин, покрытие на его торцах, лампы накачки – были созданы в ГОИ. После запуска лазера на рубине в институте началась интенсивная работа по созданию твердотельных и газовых лазеров. Уже в 1963 году была проведена первая в мире передача телевизионного сигнала по лучу гелий-неонового лазера через атмосферу.

Лазер-устройство и принцип действия. Лазер или оптический квантовый генератор- это устройство, преобразующее энергию накачки (энергию, подводимую к активной среде) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения. Другими словами, это устройство, преобразующее энергию накачки в более качественную энергию – энергию электромагнитного поля (лазерный луч). Качество лазерной энергии определяется ее высокой концентрацией и возможностью передачи на значительные расстояния.

Из чего должен состоять лазер? Устройство лазера зависит от его назначения, режима работы, диапазона генерируемых длин волн, уровня генерируемой мощности или энергии. Оно во многом определяется также тем, какой вид энергии преобразуется лазером в когерентное излучение. Следовательно, почти каждый лазер должен состоять из: Активного элемента (активной среды) Элемента накачки Резонансного оптического усилителя (системы обратной связи) Схемы отвода генерируемой мощности (только в мощных лазерах)

Преимущества лазера. Лазеры как источники излучения обладают следующими преимуществами: Лазеры дают весьма монохроматическое когерентное излучение. Мощность излучения лазеров весьма велика. Напряженности электрического и магнитного полей в лазерной волне весьма велики.  Направленность излучения лазеров может быть сделана очень точной (угловое расхождение в пучке — очень малым). Коэффициент полезного действия лазеров, использующих различные «активные» вещества, колеблется в широких пределах: от долей процента до значений, приближающихся к 100%.

Предназначение элементов, входящих в строение лазера Каждая лазерная система состоит из активной среды, помещенной между парой оптически параллельных и высоко отражающих зеркал, одно из которых полупрозрачное, и источника энергии для ее накачки. Следовательно, лазер должен состоять: 1.  Активный элемент – Среда, которая «вбирает» в себя энергию и пере излучает ее виде когерентного излучения. Это может быть кристалл, раствор, газ или полупроводник, обеспечивающий конкретную длину волны в зависимости от своего химического состава. 2. Элемент накачки – устройство, поставляющее энергию для насыщения активной среды и переработки ее в когерентное излучение. Накачка может быть оптической (лампы), а также лазерной, химической и даже тепловой.  3. Резонансный оптический усилитель – система с положительной обратной связью, состоящая из двух зеркал, одно из которых непрозрачное, а другое полупрозрачное. Зеркала, отражая часть излучения в активное вещество, играют роль резонатора, обеспечивающего многократное усиление и направленность генерируемого излучения. 4. Схемы отвода генерируемой мощности - Важным условием работы лазера является усиление лазерного излучения в так называемых активных средах из-за лавинного размножения квантов излучения. Лазерное излучение по своей структуре представляет собой совокупность отдельных порций фотонов, время образования и выхода которых, могут различаться.

Свойства лазерного излучения. Лазерный луч - это источник света с совершенно уникальными свойствами. Он практически не рассеивается, может излучаться на дальние расстояния, возвращаясь обратно. Также у лазера очень большая теплота, что позволяет ему резать материал, через который он проходит. Температура, до которой нагревается объект, определяется плотностью поглощенной мощности излучения, которая зависит от мощности излучения, ее распределения по облучаемой поверхности и поглощательной способности объекта. Другим преимуществом лазеров является то, что лазеры – мощные источники света, превосходящие даже солнце. Длину волны лазерного излучения выбирают так, чтобы обеспечить максимальное поглощение излучения веществом. 

Основные виды лазеров. Видов лазерных устройств существует большое количество, однако все они берут свое начало от четырех основных типов: Газовые лазеры. Жидкостные лазеры. Твердотельные лазеры. Полупроводниковые лазеры.

Газовые лазеры. В качестве активной среды в таких лазерных установках выступает технический газ (вещество, которое находится в газообразном состоянии при естественных для него условиях) или же испарения химических элементов, к примеру, металлов. В газовых лазерах трубка с активным газом помещается в оптический резонатор, состоящий в простейшем случае из двух параллельных зеркал, одно из которых является полупрозрачным. Оптическая волна, распространяясь через активный газ, усиливается и создает лавину фотонов. Дойдя до полупрозрачного зеркала, волна частично выходит за пределы резонатора, создавая выходное лазерное излучение. Другая часть оптической энергии отражается от зеркала и порождает новую лавину фотонов. Все фотоны идентичны по частоте, фазе и направлению дальнейшего распространения. Газовые лазеры работают в весьма широком частотном диапазоне (от ультрафиолетового до далекого инфракрасного), функционирующем в импульсном и в непрерывном режимах.

Жидкостные лазеры. Жидкостный лазер представляет собой квантовый генератор, рабочим веществом которого является жидкость. Жидкостные лазеры, работающие на неорганических активных жидкостях, обладают большими импульсными энергиями при значительной средней мощности. При этом жидкостные лазеры генерируют излучение с узким спектром частот.

Твердотельные лазеры. Твердотельный лазер – лазер, в котором в качестве активной среды используется вещество, находящееся в твердом состоянии. Как правило, в качестве активной среды твердотельного лазера используются различные стёкла, керамические материалы или кристаллы, активированные легирующими добавками в виде ионов редкоземельных элементов (например, таких как неодим, хром, эрбий, тулий или иттербий). Сам материал-носитель (кристалл, керамика, стекло) мало влияет на лазерные свойства активной среды. Чужеродные элементы (легирующие добавки) являются фактической активной средой твердотельных лазеров. Накачка твердотельного лазера в основном осуществляется видимым светом или инфракрасным излучением.

Полупроводниковые лазеры. Полупроводниковыми или диодными называют лазеры, которые имеют усиливающую среду на основе полупроводников. Генерация в ней происходит во время межзонного перехода электронов, при низкой концентрации носителя в зоне проводимости, в основном за счет вынужденного излучения фотонов. Формально такие лазеры можно отнести к твердотельным, однако в силу иного принципа работы их выделяют в отдельную группу. Благодаря повышенной оптической мощности и отличным функциональным свойствам полупроводников, их можно использовать в измерительных приборах повышенной точности, не только в производстве, но и в быту, и даже медицине. Полупроводниковый лазер является основой для чтения и записи компьютерных дисков. Благодаря нему работают лазерные указки, уровнемеры, измерители расстояния и прочие полезные для человека устройства.

Применение лазеров. Лазеры применяются в : Медицине. Военном деле. Культуре. Промышленности. Сфере развлечений. Повседневной жизни.

Лазеры в медицине. Применение лазеров в медицине началось относительно недавно, буквально в 60-х годах прошлого века. Им нашли применение в офтальмологии, онкологии, пластической хирургии и многих других областях медицины и медико-биологических исследованиях. О возможности использования света для лечения болезней было известно тысячи лет назад. Древние греки и египтяне применяли солнечное излучение в терапии, и эти две идеи даже были связаны друг с другом в мифологии – греческий бог Аполлон был богом солнца и исцеления. И только после изобретения источника когерентного излучения более 50 лет назад действительно был выявлен потенциал использования света в медицине.

Лазерное вооружение. С середины 50-х годов XX века в СССР осуществлялись широкомасштабные работы по разработке и испытанию лазерного оружия высокой мощности, как средства непосредственного поражения целей в интересах стратегической противокосмической и противоракетной обороны. Среди прочих были реализованы программы «Терра» и «Омега». Испытания лазеров осуществлялись на полигоне Сары-Шаган в Казахстане. После распада Советского Союза работы на полигоне Сары-Шаган были остановлены. В середине марта 2009 года американская корпорация Northrop Grumman объявила о создании твердотельного электрического лазера мощностью около 100 кВт. Разработка данного устройства была произведена в рамках программы по созданию эффективного мобильного лазерного комплекса, предназначенного для борьбы с наземными и воздушными целями

Лазерный прицел. В большинстве военных применений лазер используется для облегчения прицеливания с помощью какого-нибудь оружия. Например, лазерный прицел — это маленький лазер, обычно работающий в видимом диапазоне и прикреплённый к стволу пистолета или винтовки так, что его луч параллелен стволу. Благодаря слабой расходимости лазерного луча, даже на больших расстояниях прицел даёт маленькое пятнышко. Человек просто наводит это пятно на цель и таким образом видит, куда именно направлен его ствол. Большинство лазеров используют красный лазерный диод. Некоторые используют инфракрасный диод, чтобы получить пятно, не видимое невооружённым глазом, но различимое приборами ночного видения.

Лазеры в повседневной жизни. Лазерный принтер. Лазерный принтер способен распечатать документ за считанные  секунды. Порошок, который создает изображение, содержится в тонере Тонер - обладающий особыми свойствами чёрный или цветной порошок, который переносится с помощью электрографического принципа на заранее специальным образом заряженный фотобарабан и формирует на нём видимое изображение, которое затем переносится на бумагу и прилипает к ней под действием статического электричества. Лазерная мышь. Лазерная мышь делает тысячи снимков с места, где она  находится. Лазерная мышь - это высокоточная система, работающая с феноменальной  скоростью. Лазерная указка. Лазерная указка - портативный генератор когерентных и монохроматических электромагнитных волн видимого диапазона в виде узконаправленного луча. В большинстве случаев изготавливается на основе красного лазерного диода.

Спасибо за внимание!