Лазери і їх застосування 2

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.


Нажми чтобы узнать.
скачати

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

БЛАГОВІЩЕНСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ПЕДАГОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Фізико-математичний факультет

Кафедра загальної та експериментальної фізики

ЛАЗЕРИ І ЇХ ЗАСТОСУВАННЯ

Курсова робота

Благовєщенськ 2007

ЗМІСТ

ВСТУП

1. ПРИНЦИП ДІЇ І ВИДИ ЛАЗЕРІВ

1.1 ОСНОВНІ ВЛАСТИВОСТІ лазерного променя

1.2 Напівпровідниковий лазер

1.3 рідинні лазери

1.3.1 лазери на барвниках

1.4 ХІМІЧНИЙ ЛАЗЕР І ІНШІ

1.5 ПОТУЖНІ ЛАЗЕРИ

1.5.1 багатокаскадні та Багатоканальні системи

2. ЗАСТОСУВАННЯ ЛАЗЕРІВ

2.1 застосування лазерного променя У ПРОМИСЛОВОСТІ І ТЕХНІКИ

2.2 ЗАСТОСУВАННЯ ЛАЗЕРІВ У МЕДИЦИНІ

2.3 ГОЛОГРАФІЯ

2.3.1 ВИНИКНЕННЯ ГОЛОГРАФІЯ

2.3.2 СПОСОБИ голографирования

2.3.3 застосування голографії

2.4 ЛАЗЕРНІ ТЕХНОЛОГІЇ - ЗАСІБ ЗАПИСИ І ОБРОБКИ ІНФОРМАЦІЇ

ВИСНОВОК

Список використаної літератури

ВСТУП

Ця курсова робота присвячується вивченню лазерів і їх застосування в різних сферах діяльності людини.

Актуальність даної проблематики обумовлена ​​постійним зростанням темпу розвитку лазерних технологій та їх впровадження в наше життя.

Метою роботи є вивчення лазерних технологій, що передбачає вирішення таких конкретних завдань:

1) познайомитися з принципом роботи різних типів лазерів;

2) дізнатися способи підвищення потужності лазерного випромінювання;

3) розглянути варіанти застосування лазерів.

Матеріалом для роботи послужили дані, отримані при роботі з літературою і Internet.

Курсова робота складається з вступу, двох розділів, висновків, додатку і бібліографії, викладеної на сторінці.

У вступі обумовлюється актуальність роботи, формулюються основні цілі і завдання, методи дослідження і використовуваний матеріал.

У першому розділі розкривається принцип роботи різних видів лазерів.

У другому розділі розглядаються сфери і області застосування лазерів.

У висновку в узагальненому вигляді підбиваються підсумки роботи.

1. ПРИНЦИП ДІЇ ЛАЗЕРІВ

В основу лазерів покладено явище індукованого випромінювання, існування якого було передбачене Ейнштейном в 1917 році. За Ейнштейну, поряд з процесами звичайного випромінювання і резонансного поглинання існує третій процес - вимушене (індуковане) випромінювання. Світло резонансної частоти, тобто тієї частоти, яку атоми здатні поглинати, переходячи на вищі енергетичні рівні, повинен викликати світіння атомів, які вже перебувають на цих рівнях, якщо такі є в середовищі. Характерна особливість цього випромінювання полягає в тому, що випускається світло не відрізняється від змушує світла, тобто збігається з останнім по частоті, по фазі, поляризації та напрямку розповсюдження. Це означає, що вимушене випромінювання додає в світловий пучок точно такі ж кванти світла, які веде з нього резонансне поглинання.

Атоми середовища можуть поглинати світло, перебуваючи на нижньому енергетичному рівні, випромінюють ж вони на верхніх рівнях. Звідси випливає, що при великій кількості атомів на нижніх рівнях (принаймні, більшій, ніж кількість атомів на верхніх рівнях), світло, проходячи через середовище, буде послаблюватися. Навпаки, якщо число атомів на верхніх рівнях більше числа збудженому, то світло, пройшовши через дане середовище, посилиться. Це означає, що в даному середовищі переважає індуковане випромінювання. Простір між дзеркалами заповнено активним середовищем, тобто середовищем, що містить більшу кількість збуджених атомів (атомів, що знаходяться на верхніх енергетичних рівнях), ніж збудженому. Середа посилює проходить через неї світ за рахунок індукованого випромінювання, початок якому дає спонтанне випромінювання одного з атомів.

Лазерне випромінювання - є свічення об'єктів при нормальних температурах. Але в звичайних умовах більшість атомів знаходяться на нижчому енергетичному стані. Тому при низьких температурах речовини не світяться. При проходженні електромагнітної хвилі крізь речовину її енергія поглинається. За рахунок поглиненої енергії хвилі частина атомів порушується, тобто переходить у вищий енергетичний стан. При цьому від світлового пучка віднімається деяка енергія:

hν = E2-E1,

де h ν - величина, що відповідає кількості витраченої енергії,

E2 - енергія вищого енергетичного рівня,

E1 - енергія нижчого енергетичного рівня.

Збуджений атом може віддати свою енергію сусіднім атомам при зіткненні або випустити фотон в будь-якому напрямку. Тепер уявімо, що яким-небудь способом ми порушили більшу частину атомів середовища. Тоді при проходженні через речовину електромагнітної хвилі з частотою

,

де v - частота хвилі,

Е2 - Е1 - різниця енергій вищого і нижчого рівнів,

h - довжина хвилі,

ця хвиля буде не послаблюватися, а навпаки, посилюватись за рахунок індукованого випромінювання. Під її впливом атоми узгоджено переходять у нижчі енергетичні стани, випромінюючи хвилі, що збігаються за частотою і фазою з падаючою хвилею.

1.1 ОСНОВНІ ВЛАСТИВОСТІ лазерного променя

Лазери є унікальними джерелами світла. Їх унікальність визначають властивості, якими не володіють звичайні джерела світла. На противагу, наприклад, звичайної електричної лампочки, електромагнітні хвилі, що зароджуються в різних частинах оптичного квантового генератора, віддалених один від одного на відстані макроскопічні, виявляються когерентні між собою. Це означає, що всі коливання в різних частинах лазера відбуваються узгоджено. Щоб розібрати поняття когерентності в деталях, потрібно згадати поняття інтерференції. Інтерференція - це взаємодія хвиль, при якому відбувається складання амплітуд цих хвиль. Якщо вдається відобразити процес цієї взаємодії, то можна побачити так звану інтерференційну картину (вона виглядає як чергування темних і світлих ділянок). Інтерференційну картину здійснити досить важко, тому що звичайно джерела досліджуваних хвиль породжують хвилі неузгоджено, і самі хвилі при цьому будуть гасити один одного. У цьому випадку інтерференційна картина буде надзвичайно розмита або ж не буде видно зовсім. Процес взаємного гасіння схематично представлений на рис.1 (а) Отже, вирішення проблеми отримання інтерференційної картини лежить у використанні двох залежних і узгоджених джерел хвиль. Хвилі від узгоджених джерел випромінюють таким чином, що різниця ходу хвиль буде дорівнювати цілому числу довжин хвиль. Якщо ця умова виконується, то амплітуди хвиль накладаються один на одного і відбувається інтерференція хвиль рис. 1 (б). Тоді джерела хвиль можна назвати когерентними.

Когерентність хвиль, і джерел цих хвиль можна визначити математично. Нехай Е1 - напруженість електричного поля, що створюється перша пучком

світла, Е2 - другим. Припустимо, що пучки перетинаються в деякій точці простору А. Тоді згідно з принципом суперпозиції напруженість поля в точці А дорівнює

Е = Е1 + Е2

Так як в явищах інтерференції і дифракції оперують відносними

значеннями величин, то подальші операції будемо виробляти з величиною - інтенсивність світла, яка позначена за I і дорівнює

I = E2

Змінюючи величину I на певну раніше величину Е, отримуємо

I = I1 + I2 + I12,

де I1 - інтенсивність світла першого пучка,

I2 - інтенсивність світла другого пучка.

Останній доданок I12 враховує взаємодію пучків світла і називається інтерференційних членом. Це складова одно

I12 = 2 (E1 * E2)

Якщо взяти незалежні джерела світла, наприклад, дві електричні лампочки, то повсякденний досвід показує, що I = I1 + I2, тобто результуюча інтенсивність дорівнює сумі інтенсивностей накладаються пучків, а тому інтерференційний член звертається в нуль. Тоді кажуть, що пучки некогерентних між собою, отже, некогерентних і джерела світла. Однак, якщо накладаються пучки залежні, то інтерференційний член не звертається в нуль, а тому I <> I1 + I2. У цьому випадку в одних точках простору результуюча інтенсивність I більше, в інших - менше інтенсивностей I1 і I2. Тоді й відбувається інтерференція хвиль, а значить, джерела світла виявляються когерентними між собою. З поняттям когерентності також пов'язане поняття просторової когерентності. Два джерела електромагнітних хвиль, розміри і взаємне розташування яких дозволяє отримати інтерференційну картину, називаються просторово когерентними. Інший чудовою рисою лазерів, тісно пов'язаної з когерентністю їх випромінювання, є здатність до концентрації енергії - концентрації в часі, в спектрі, у просторі, у напрямку розповсюдження. Перше означає те, що випромінювання оптичного генератора може тривати всього близько сотні мікросекунд. Концентрація в спектрі припускає, що ширина спектральної лінії лазера дуже вузька. Це монохроматичность. Лазери також здатні створювати пучки світла з дуже малим кутом розбіжності. Як правило, це значення досягає 10-5 радий. Це означає, що на Місяці такий пучок, посланий з Землі, дасть пляма діаметром близько 3 км. Це є проявом концентрації енергії лазерного променя в просторі і у напрямку розповсюдження.

Для деяких квантових генераторів характерна надзвичайно висока ступінь монохроматичности їх випромінювання. Будь-який потік електромагнітних хвиль завжди має набір частот. Випромінювання і поглинання атомної системи характеризується не тільки частотою, але і деякою невизначеністю цієї величини, званої шириною спектральної лінії (або смуги). Абсолютно монохроматичного одноколірного потоку створити не можна, однак, набір частот лазерного випромінювання надзвичайно вузький, що і визначає його дуже високу монохроматичность. Потрібно відзначити, що лінії лазерного випромінювання мають складну структуру і складаються з великого числа надзвичайно вузьких ліній. Застосовуючи відповідні оптичні резонатори, можна виділити і стабілізувати окремі лінії цієї структури, створивши тим самим одночастотний лазер.

Лазери є найбільш потужними джерелами світлового випромінювання. У вузькому інтервалі спектра (протягом проміжку часу, тривалістю близько 10-13 с) у деяких типів лазерів досягається потужність випромінювання порядку 1017 Вт/см2, в той час як потужність випромінювання Сонця дорівнює лише 7 * 103 Вт/см2, причому сумарно по всьому спектру. На вузький ж інтервал l = 10-6 см (це ширина спектральної лінії лазера) припадає у Сонця всього лише 0,2 Вт/см2. Якщо завдання полягає в подоланні порогу в 1017 Вт/см2, то вдаються до різних методів підвищення потужності.

Для підвищення потужності випромінювання необхідно збільшити число атомів, що беруть участь у посиленні світлового потоку за рахунок індукованого випромінювання, і зменшити тривалість імпульсу.

1.2 Напівпровідниковий лазер

У 60-х роках, було встановлено, що напівпровідники - чудовий матеріал для лазерів.

Якщо з'єднати разом дві пластини з напівпровідників різних типів, то посередині утворюється перехідна зона. Атоми речовини, що знаходяться в ній, здатні збуджуватися при проходженні електричного струму поперек зони і генерувати світло. Дзеркалами, необхідними для отримання лазерного випромінювання, можуть служити поліровані і посріблені грані самого кристала напівпровідника.

Серед цих лазерів кращим вважається лазер на основі арсеніду галію - з'єднання рідкісного елемента галію з миш'яком. Його інфрачервоне випромінювання має потужність до десяти ват. Якщо цей лазер охолодити до температури рідкого азоту (-200 °), потужність його випромінювання можна збільшити в десять разів. Це означає, що при площі випромінюючого шару в 1 см2 потужність випромінювання досягла б мільйони ват. Але напівпровідник з перехідним шаром такого розміру виготовити поки неможливо з технічних причин.

Можна порушувати атоми напівпровідника пучком електронів (як в твердотільних лазерах - лампою-спалахом). Електрони проникають глибоко всередину речовини, збуджуючи більшу кількість атомів; ширина випромінюючої зони виявляється в сотні разів ширша, ніж при порушенні електричним струмом. Тому потужність випромінювання таких лазерів з електронним накачуванням досягає вже двох кіловат.

Малі розміри напівпровідникових лазерів роблять їх дуже зручними для застосування там, де потрібен мініатюрний джерело світла великої потужності.

1.3 рідинні лазери

У твердих речовинах можна створити велику концентрацію випромінюючих атомів і, значить, отримати велику енергію з одного кубічного сантиметра стрижня. Але їх важко робити, вони дорогі і до того ж можуть лопатися через перегріву під час роботи.

Гази дуже однорідні оптично, розсіювання світла в них мало, тому розмір газового лазера може бути досить значним: довжина 10 метрів при діаметрі 10-20 сантиметрів для нього не межа. Але таке збільшення розміру нікого не радує. Це вимушений захід, необхідний для того, щоб компенсувати незначну кількість активних атомів газу, що знаходиться у слухавці лазера під тиском в соті частки атмосфери. Прокачування газу трохи рятує справу, дозволяючи зменшити розмір випромінювача.

Рідини об'єднують в собі достоїнства і твердих і газоподібних лазерних матеріалів: щільність їх всього в два-три рази нижче щільності твердих тіл (а не в сотні тисяч разів, як щільність газів). Тому кількість їх атомів в одиниці об'єму приблизно однаково. Значить, рідинний лазер легко зробити таким же потужним, як лазер твердотільний. Оптична однорідність рідин не поступається однорідності газів, а значить, дозволяє використовувати її великі обсяги. До того ж рідина теж можна прокачувати через робочий об'єм, безперервно підтримуючи її низьку температуру і високу активність її атомів.

      1. Лазери на барвниках

Називаються вони так тому, що їхня робоча рідина - розчин анілінових фарб у воді, спирті, кислоті та інших розчинниках. Рідина налита в плоску ванночку-кювету. Кювету встановлена ​​між дзеркалами. Енергія молекули барвника накачується оптично, тільки замість лампи-спалаху спочатку використовувалися імпульсні рубінові лазери, а пізніше - лазери газові. Лазер-накачування всередину рідинного лазера не вбудовують, а поміщають поза лазера, вводячи його промінь в кювету через віконце в корпусі. Зараз вдалося добитися генерації світла і з імпульсною лампою, але не на всіх барвниках. Розчини можуть випромінювати імпульси світла різної довжини хвилі - від ультрафіолету до інфрачервоного світла - і потужністю від сотень кіловат до декількох мегават (мільйонів ват), в залежності від того, який барвник налитий у кювету. Лазери на барвниках володіють однією особливістю. Всі лазери випромінюють строго на одній довжині хвилі. Це їх властивість лежить в самій природі вимушеного випромінювання атомів, на якому заснований весь лазерний ефект. У великих і важких молекулах органічних барвників вимушене випромінювання виникає відразу в широкій смузі довжин хвиль. Щоб домогтися від лазера на барвниках монохроматичности, на шляху променя стає світлофільтр. Це не просто забарвлене скло. Він являє собою набір скляних пластин, які пропускають тільки світло однієї довжини хвилі. Змінюючи відстань між пластинами, можна злегка змінити довжину хвилі лазерного випромінювання. Такий лазер називається перебудовуваним. А для того, щоб лазер міг генерувати світло в різних ділянках спектра - переходити, скажімо, від синього до червоного світла або від ультрафіолетового до зеленого, - досить змінити кювету з робочою рідиною. Найбільш перспективні вони виявилися для дослідження структури речовини. Перебудовуючи частоту випромінювання, можна дізнатися, світло якої довжини хвилі поглинається або розсіюється на шляху променя. Таким способом можна визначити склад атмосфери і хмар на відстані до двохсот кілометрів, виміряти забрудненість води чи повітря, вказавши відразу, якого розміру частки його забруднюють. Тобто можна побудувати прилад, автоматично і безперервно контролюючий чистоту води і повітря.

Але поряд з широкосмуговими рідинними лазерами існують і такі, у яких, навпаки, монохроматичность набагато вище, ніж у лазерів на твердому тілі або на газі.

Довжина хвилі світла лазера може змінюватися, укорачиваясь і подовжуючись приблизно на одну соту (у хороших лазерів). Чим менше відстань між дзеркалами, тим ця смуга ширше. У напівпровідникових лазерів, наприклад, вона становить вже кілька довжин хвиль, а у лазера на основі солей неодиму ця смуга - одна десятитисячна. Така сталість довжини хвилі можна отримати тільки у великих газових лазерів, та й то, якщо взяти всілякі необхідні для цього заходи: забезпечити стійкість температури трубки, сили струму, її живить, і включити в схему лазера систему автоматичного підстроювання довжини хвилі випромінювання. Потужність випромінювання при цьому повинна бути мінімальною: при її підвищенні смуга розширюється. Зате в рідинному неодимовому лазері вузька смуга випромінювання виходить сама собою і зберігається навіть при помітному підвищенні потужності випромінювання, а це вкрай важливе для всякого роду точних вимірювань.

Тому від того, наскільки точно витримується довжина хвилі світла, випромінюваного лазером, залежить і точність вимірювань. Зменшення смуги випромінювання лазера в сто разів обіцяє сторазове збільшення точності вимірювання довжин.

1.4 ХІМІЧНИЙ ЛАЗЕР І ІНШІ

Пошук нових лазерів, нових шляхів підвищення потужності лазерного випромінювання, ведеться в різних напрямках. У їх числі, наприклад, квантовий генератор з хімічною накачкою, перший варіант якого був створений в Інституті хімічної фізики АН СРСР у лабораторії члена-кореспондента Академії наук В. Л. Тальрозе. У такому лазер в процесі реакції сполуки фтору F з воднем Н2 або дейтерієм D 2 утворилися молекули HF або DF переходять на вищий енергетичний рівень. Спускаючись з цього рівня, вони і створюють лазерне випромінювання - молекули HF на хвилі 2700 нм, молекули DF - на хвилі 3600 нм. У лазерах цього типу досягаються потужності до 10 кВт.

В одному з порівняно потужних імпульсно-періодичних газових лазерів як робочої речовини використовуються пари міді при температурі 1500 ° С або в більш простому варіанті пари солей міді при температурі 400 ° С. Накачування здійснюється енергією електронів, що рухаються в газовому розряді. Лазерне випромінювання відбувається при переході атомів міді із збудженого стану в одне з двох метастабільних станів, і при цьому можливе випромінювання на двох довжинах хвиль 510,6 нм і 578,2 нм, що відповідають двом відтінкам зеленого кольору. У резонаторі, який представляє собою інтенсивно прокачуємо трубу діаметром 5 см і довжиною 1 м, досягнута потужність в імпульсі 40 кВт при тривалості імпульсів 15-20 не, частоті проходження 10-100 кГц, середньої потужності в кілька десятків ват і ккд більше 1% - Ведеться робота з підвищення середньої потужності «мідного» лазера до 1 кВт.

Особливий клас утворюють потужні лазери на барвниках, головне достоїнство яких - можливість плавної зміни частоти. Використовувані в них рідкі середовища мають «розмиті» енергетичні рівні і допускають генерацію на багатьох частотах. Вибір однієї з них може проводитися зміною параметрів резонатора, наприклад, поворотом призми всередині нього. Якщо для накачування використовувати потужні джерела випромінювання, зокрема, імпульсні лазери і здійснити інтенсивну циркуляцію рідкого барвника, то стає реальним створення лазерів з перебудовуваною частотою із середньою потужністю близько 100 Вт і частотою повторення імпульсів 10-50 кГц.

Коли мова заходить про перспективи, частіше за інших називають йодний лазер, в резонаторі якого з'єднання йоду, фтору і вуглецю CF 3 J або більш складні молекули під дією ультрафіолетової накачування дисоціюють, розвалюються на частини. Відокремилися атоми йоду виявляються у збудженому стані і надалі дають інфрачервоне лазерне випромінювання з довжиною хвилі 1315 нм. Часто називають і лазери на так званих ексимерних молекулах, які взагалі можуть бути лише у збудженому стані. У процесі накачування витрачається енергія на те, щоб об'єднати розрізнені атоми в молекулу, і при цьому вона відразу опиняється збудженої, готової до випромінювання. І, віддавши свій квант випромінювання, зробивши внесок у формування лазерного променя, ексимерний молекула просто розпадається, атоми її майже миттєво розлітаються. Перший ексимерний лазер був створений ще десять років тому в лабораторії академіка М. Г. Басова, ультрафіолетове лазерне випромінювання на хвилі 176 нм тут отримали при порушенні рідкого ксенону Хе2 потужним пучком електронів. Років через п'ять у декількох американських лабораторіях отримали лазерне випромінювання на інших ексимерних молекулах, головним чином з'єднаннях інертних газів з галоидами, наприклад, XeF, XeCl, XeBr, KrF та інших. Ексимерні лазери працюють як у видимому, так і в ультрафіолетовому діапазоні, причому вони допускають деяку зміну частоти. Створено лазери, що мають ккд 10% і енергію 200 Дж в імпульсі.

    1. ПОТУЖНІ ЛАЗЕРИ

Одна з головних тенденцій у розвитку сучасної прикладної фізики - це отримання все більш високої щільності енергії та пошук шляхів вивільнення її за все більш короткий час. Стрімкий прогрес квантової електроніки, привів до створення великого сімейства потужних лазерів. Потужні лазери відкрили принципово нові можливості як для отримання рекордно високих концентрацій енергії в просторі і часі, так і для дуже зручного підведення світлової енергії до речовини. Перш ніж знайомитися з конкретними результатами по створенню потужних лазерів, корисно згадати, що їх можна розділити на три групи - імпульсні, імпульсно-періодичні і безперервні. Перші випромінюють світло одиночними імпульсами, другі - безперервними серіями імпульсів, і, нарешті, треті, дають безперервне випромінювання.

Потужність - характеристика відносна, вона говорить про те, яка робота виконана, яка енергія витрачена або отримана за одиницю часу. Одиниця потужності, як відомо, ват (Вт) - він відповідає енергії в 1 Дж, що виділилася за 1 секунду (с). Якщо виділення цієї енергії розтягнеться на 10 с, то на кожну секунду доведеться лише 0,1 Дж і, отже, потужність складе 0,1 Вт. Ну, а якщо 1 Дж енергії виділиться за соту частку секунди, то потужність складе вже 100 Вт. Тому що за такої інтенсивності процесу за секунду було б видано 100 Дж. На це «б» не потрібно звертати уваги - при визначенні потужності не має значення, що процес тривав лише одну соту секунди і енергії за цей час виділилося трохи. Потужність говорить не про повне, підсумковому, дії, а про його інтенсивності, про його концентрації в часі. Якщо робота йшла досить довго, у всякому разі, більше секунди, то потужність вказує на те, що було дійсно зроблено за одну секунду.

В імпульсному лазері випромінювання триває дуже недовго, якісь незначні частки секунди, і навіть при невеликій випромінюваної енергії процес виявляється сильно стиснутим, сконцентрованим у часі, а потужність виходить величезною. Ось, наприклад, що було в першому ОКГ, в першому рубіновому лазері, створеному в 1960 році: він випромінював імпульс світла з енергією близько 1 Дж і тривалістю 1 мс (мілісекунда, тисячна секунди), тобто потужність імпульсу становила 1 кВт. Через деякий час з'явилися лазери, які той же джоуль енергії випромінювали в набагато більш короткому імпульсі - до 10 нс (наносекунд, мільярдна частина секунди). При цьому потужність імпульсу з енергією в той же джоуль досягала вже 100 тисяч кВт. Це ще не Куйбишевська ГЕС, що має потужність 2 мільйона кВт, але вже електростанція для невеликого міста. З тією, звичайно, різницею, що лазер розвиває цю величезну потужність лише в мільярдні частки секунди, а електростанція - безперервно цілодобово. Нинішні лазери дають імпульси тривалістю до 0,01 нс, при тій же енергії 1 Дж їх потужність досягає 100 мільйонів кВт.

Джерело енергії

Щільність енергії Дж/см3

Щільність потужності Вт/см3


Електричний конденсатор

10-2

-

Електричний розряд

10-4

108-109

Хімічне вибухова речовина

104

109

Потужнострумовий електронний пучок

106

1013-1014

Ядерне вибухова речовина

1010 - 1011

1016-1018

Сфокусований потужний лазерний пучок

1010-1012

1020-1022

Анігіляція речовини (щільність 10 г/см3)

1015

-

Лазерний промінь - це потік виключно упорядкованого когерентного випромінювання, гостронаправленої, сконцентрованого в межах невеликого тілесного кута. Саме за всі ці якості ми платимо таку високу ціну - ккд лазерів складає долі відсотка, а в кращому випадку кілька відсотків, тобто на кожен джоуль лазерного випромінювання потрібно затратити десятки, а то й сотні джоулів енергії накачування. Але часто навіть така висока плата абсолютно виправдана, - втрачаючи кількість, ми набуваємо якість. Зокрема, когерентність, спрямованість лазерного променя в поєднанні з подальшою фокусуванням в дуже малому обсязі, наприклад, до сфери діаметром 0,1 мм, і стиском процесу в часі, тобто випромінюванням дуже короткими імпульсами, дозволяє отримати величезні щільності енергії. Про це нагадує таблиця 1. З таблиці видно, що концентрації енергії сфокусованого потужному лазерному промені всього в тисячу разів менше своєрідного рекордного значення для повної анігіляції речовини нормальної щільності, повного перетворення маси в енергію. Збільшення потужності лазерів пов'язано з деякими загальними проблемами, перш за все з властивостями робочого тіла, тобто самої речовини, де народжується випромінювання. Але є і проблеми специфічні для імпульсних, імпульсно-періодичних і безперервних лазерів. Так, наприклад, для імпульсних лазерів одна з важливих проблем - стійкість оптичних елементів в сильному світловому полі дуже коротких імпульсів. Для безперервних та імпульсно-періодичних дуже важлива проблема відведення тепла, так як ці лазери розвивають велику середню потужність. Для лазера, що працює в режимі довгій черзі, імпульсна потужність говорить про те, як сконцентрована в часі енергія одного імпульсу, а середня - про роботу, яку виконує серія імпульсів, що тривала секунду. Так, наприклад, якщо лазер у секунду дає 20 імпульсів тривалістю 1 мс і енергією 1 Дж в кожному, то імпульсна потужність складе 1 кВт, а середня - 20 Вт.

Всі види лазерів починали з досить скромних енергетичних показників, а удосконалювалися часто різними шляхами. Зокрема, перший імпульсний лазер працював у режимі вільної генерації - у ньому мимоволі виникала лавина лазерного випромінювання і знову-таки сама собою припинялася після закінчення збудження. Імпульс тривав за нинішніми мірками довго, і це визначило порівняно невисоку імпульсну потужність.

Через кілька років навчилися управляти генерацією методом модуляції добротності, вводячи в резонатор клітинку Керра або інший аналогічний елемент, який під дією електричної напруги змінює свої оптичні властивості. У звичайному стані осередок закрита, непрозора, і лазерна лавина в резонаторі не виникає. Тільки під дією короткого електричного імпульсу осередок відкривається, і в робочому тілі виникає короткий лазерний імпульс. Його тривалість може бути всього в кілька разів більше часу проходження світла між дзеркалами лазера, тобто може становити 10-20 нс.

Цей метод дав помітний приріст імпульсної потужності за рахунок зменшення тривалості імпульсу. Дуже короткі імпульси, аж до пикосекундной, отримують у режимі синхронізації, або, інакше, в режимі захоплення мод. Тут в резонатор вводять особливий нелінійний елемент, він неоднаково веде себе, неоднаково просвітлюється для різних за інтенсивністю сплесків випромінювання і як би вирізає з наносекундного світлового імпульсу дуже короткі пикосекундной сплески інтенсивності.

1.5.1 багатокаскадні та Багатоканальні системи

Значний прогрес у створенні потужних імпульсних лазерів пов'язаний з використанням такого вдалого матеріалу, як неодимові скло. Тут випромінювачами служать включені в скляну структуру іони неодиму Nd (один з лантанідів, 60-й елемент таблиці Менделєєва), їх у скло вводиться кілька відсотків. Під дією накачування іони неодиму переходять на один з високих енергетичних рівнів, а потім самі спускаються на деякий метастабільний рівень, де можуть перебувати порівняно довго, приблизно 300 мкс. Це дозволяє накопичувати на метастабільних рівні досить велика кількість іонів, а потім «висвічувати» їх енергію в короткому імпульсі. Випромінювання відбувається на хвилі 1,06 мкм = 1060 нм = 10 600 Å, тобто в інфрачервоному діапазоні саме довгохвильове видиме випромінювання - це червоне світло з довжиною хвилі приблизно 750 нм (7500 Å).

При гарній накачуванні в неодимовому стрижні вдається отримати щільність енергії 0,5 Дж / ​​см 3, тобто в кожному кубічному сантиметрі накопичити 0,5 Дж, були розкидані по величезному числі порушених іонів неодиму. Тут, здавалося б, видно простий шлях підвищення середньої потужності - треба просто збільшити число працюючих іонів, тобто збільшити об'єм робочого тіла, і тоді загальна накопичилася в ньому енергія зросте. Саме так і роблять, але тільки розділяють у просторі процес генерування лазерного випромінювання та підвищення його потужності - установки роблять багатоступеневими, багатокаскадні.

Перший каскад - це сам лазер-генератор, в якому формується світловий імпульс. Від нього не вимагається великої потужності - генератор повинен видати короткий імпульс, а збільшення потужності відбудеться в наступних каскадах, в лазерах-підсилювачах. Для підсилювача світловий імпульс лазера-генератора - це і сигнал до дії, і зразок, за яким потрібно створити більш потужний світловий імпульс. Випромінювання світла іонами неодиму відбувається не спонтанно, а під дією світлового імпульсу, що надходить від лазера-генератора. Підсилювач в принципі влаштований так само, як генератор, але в ньому немає резонатора, тобто, немає дзеркал.

Великий середньої потужності від неодимового лазера не отримати - скло погано проводить і віддає тепло. Що ж стосується імпульсної потужності, то вона обмежується нелінійними процесами, такими, наприклад, як самофокусіровкі, яка призводить до руйнування скла в сильному світловому полі. Щоб неодимовий стрижень віддав всю потужність, яку в ньому можна накопичити, з цього стрижня повинен йти потік світлової енергії 6 Дж/см2. Але, на жаль, така енергетична навантаження для неодимового скла неприпустима - вже потік 1-2 Дж/см1 призводить до пошкодження оптичних елементів. А потік потужністю в 5 ГВт/см2, який при тривалості імпульсу 0,1 нс супроводжується потоком енергії всього 0,5 Дж/см2, призводить до самофокусіровкі променя в резонаторі - через нерівномірний зміни оптичних властивостей скло викривляє промені, спотворює хвильовий фронт, концентрує випромінювання до такого ступеня, що сама ж і руйнується. Щоб збільшити потік енергії, не перевищуючи допустиму її щільність, тобто, не перевищуючи терпиме ще число джоулів, яке припадає на кожний квадратний сантиметр перерізу стрижня, намагаються зробити це перетин як можна більше. Таким чином, неодимовий стрижень лазера-підсилювача перетворюється на диск, його розташовують під певним кутом і накачування проводять через площині диска.

Типовий дисковий підсилювач підвищує потужність випромінювання в 3-4 рази, а найбільша вихідна потужність всієї підсилювальної системи визначається розмірами останнього диска - його діаметр зазвичай не перевищує 30 см, а найбільша вихідна енергія становить 1-2 кДж при тривалості імпульсу 0,1 нс. Збільшення діаметра диска, а разом з ним випромінюваної потужності теж обмежена декількома складними процесами, зокрема виникненням мимовільної паразитної генерації.

Багато труднощів пов'язано також з багатокаскадного підсилювачів, і тому, прагнучи до дуже великої потужності, створюють не тільки багатокаскадні, але ще і багатоканальні лазерні системи. У них кілька багатокаскадних підсилювачів, які отримують первинний імпульс від загального генератора, працюють паралельно, а потім за допомогою оптичних приладів - дзеркал, призм, об'єктивів - всі ці паралельні канали складають свої випромінювання на загальній мішені. Прикладом такої багатоканальної установки може служити «Дельфін», створений у Фізичному інституті Академії наук імені П. М. Лебедєва в лабораторії академіка М. Г. Басова. У «Дельфіні» 216 паралельних багатокаскадних підсилювальних каналів по 50 Дж, сумарна енергія лазерного випромінювання - близько 10 кДж, що при тривалості імпульсу 1 не дає потужність в імпульсі 10 млрд кВт, тобто 10 ТВт (терават). У Ліверморської лабораторії імені Лоуренса в США була створена дванадцятиканальну установка «Шива» (коштувала, до речі, 20 мільйонів доларів), кожен дисковий підсилювач якої дає випромінювання з енергією 1 кДж в імпульсі.

Інша речовина для робочого тіла потужних лазерів, сьогодні, може бути, навіть найвдаліший, це вуглекислий газ, точніше, його суміш з азотом і гелієм. У вуглекислотних, або, інакше, СО2-лазерах, основний випромінювач - це молекула СО2, вона в зіткненнях отримує енергію від молекули азоту N2, а він легко набуває енергію в процесі накачування. Одне з важливих переваг вуглекислотного лазера - його універсальність, тут характеристики самих процесів накопичення енергії і випромінювання дозволяють працювати і в імпульсному, і в імпульсно-періодичному, і в безперервному режимах. У всіх випадках СО2-лазер генерує інфрачервоні промені на хвилі близько 10 600 нм, що приблизно в 15 разів довше хвилі, яка відповідає червоному світлі.

Основне джерело накачування в вуглекислотному лазері - електричний струм, а конкретно - тліючий розряд у самому газі, в процесі якого молекули N2 отримують енергію від рухомих електронів.

Крім чисто фізичних проблем, пов'язаних з тонкими молекулярними механізмами випромінювання і накачування, творці потужних лазерів стикаються ще й з непростими інженерними задачами. Одна з них - зниження температури активної речовини в резонаторі. Зокрема, СО2-лазери мають порівняно високий коефіцієнт корисної дії, приблизно 10%, але навіть при цьому на кожен кіловат випромінюваної середньої потужності припадає 9 кіловат потужності втрачається, що виділяється в газі в основному у вигляді тепла. А сильне нагрівання газової суміші знижує посилення, порушує оптичну однорідність газу, нарешті, просто виробляє руйнування - розвалює молекули активної речовини, руйнує кювету, в якій знаходиться газ.

Одне з обмежень потужності - пробою газової суміші самим інфрачервоним випромінюванням, він відбувається при щільності лазерного потоку в резонаторі 10 Дж/см2. Але реальний допустимий поріг щільності ще нижче. Вже при потоках 3 Дж/см2 пошкоджуються елементи інфрачервоної оптики і за ще меншою енергії виникають складні явища, що порушують когерентність випромінювання. У перших вуглекислотних лазерах використовувався поздовжній розряд - висока напруга діяло вздовж труби з газом, а потужність нарощували, збільшуючи довжину труб, створюючи дуже довгі, багатометрові резонатори. У результаті вдавалося отримувати потужності порядку кіловата безперервного випромінювання, один з перших потужних кіловатних СО2-лазерів був побудований у Фізичному інституті імені П. М. Лебедєва в лабораторії академіка А. М. Прохорова. Корисно згадати, що перші безперервні гелій-неонові лазери мали потужності в кілька мілліватт і якийсь час здавалося, що мілліваттах, в кращому випадку ватами справа і обмежиться.

Помітне просування вперед за шкалою потужності лазерного випромінювання пов'язане з ідеєю швидкої прокачування газу. Слово це співзвучно «накачуванні», але нічого спільного з нею не має - вуглекислий газ прокачують, проганяють через резонатор і створюють, таким чином, інтенсивну циркуляцію газу, забезпечуючи подальшу його охолодження в теплообмінниках. Прокачування виробляють не уздовж резонатора, а поперек, і електричний розряд теж створюють не подовжній, а поперечний. Цікавий напрямок в частині накачування газових лазерів відкрили роботи лабораторії академіка М. Г. Басова. Щоб отримати рівномірне збудження щільного газу, при тиску аж до 25 атмосфер, на нього ззовні впливають пучком швидких електронів. Так народилося сімейство лазерів з несамостійним розрядом. Прикладом сучасного потужного СО2 лазера з безперервним випромінюванням може бути установка ЛТ-1, створена в Інституті атомної енергії імені І. В. Курчатова у лабораторії академіка Є. П. Веліхова. У ній здійснюється поперечна циркуляція суміші СО2: N2: Не, в яку ці складові входять в пропорції 1:20:20. Через теплообмінник щомиті проходить 2-3 кубометра газу, від якого відбирається 50 кВт теплової потужності. Попередні дослідження дозволили застосувати порівняльно малопотужний джерело зовнішньої іонізації газу і, не підвищуючи його тиску, створити безперервне лазерне випромінювання потужністю 5 кіловат.

У числі найбільш потужних джерел безперервного когерентного випромінювання - газодинамічні лазери. Ці прилади не мають аналогів у квантовій електроніці, у них когерентне випромінювання народжується безпосередньо з теплової енергії. В одному з варіантів газодинамічного лазера сильно нагріта суміш азоту, вуглекислого газу та водяної пари N2: СО2: Н2О під високим тиском входить в розширюється сопло. На виході потік газу сягає надзвукових швидкостей, його температура і тиск різко падають. При цьому енергія хаотичного руху молекул переходить в енергію упорядкованого руху газового потоку. Тільки молекули азоту N2, що володіють великою інерцією власних коливальних рухів, виявляються хоронителями помітних енергетичних запасів. Ці запаси з великою ефективністю передаються молекулам вуглекислого газу CO 2, які, потрапляючи в простір між двома дзеркалами, тобто потрапляючи в оптичний резонатор, генерують інфрачервоне випромінювання із звичайною для СО2 довжиною хвилі-10600 нм. Газова суміш, яка віддала свою енергію лазерного променю, сама йде з резонатора, на зміну їй приходять інші порції газу, і таким чином немає проблеми перегріву, хоча і витрата газу великий. Створено та описано в літературі газодинамічні лазери з потужністю безперервного випромінювання до 100 кВт, їх ккд 1 - 2%, витрата газу - 1 кг на 10-20 кДж, енергії випромінювання. Обговорюється ідея фотонної машини, в якій газ, що викидається газодинамічних лазером, буде надходити в компресор і з нього знову повертатися до початку розширювального сопла. У багатьох лабораторіях розробляються хіміко-газодинамічні і електрогазодінаміческіе лазери, де для накопичення енергії та формування вихідного газового потоку використовуються електричні або хімічні процеси.

Цікавий спосіб накачування газового лазера був продемонстрований в лабораторії академіка Є. П. Веліхова і двох американських лабораторіях - накачування вуглекислотного лазера здійснювалася нейтронами прямо від ядерного реактора. При цьому гелій, який входив в газову суміш, під дією нейтронної бомбардування перетворювався на тритій, викидаючи протон, і саме енергією протонів проводилася накачування молекул газової суміші. Розглядаються інші можливості використання ядерної енергії для створення лазерного випромінювання, аж до введення випромінюючих елементів безпосередньо в реактор. У цьому випадку з'являється можливість створення замкнутої системи реактор-лазер, в якій буде відбуватися прямий, без посередників, перетворення ядерної енергії в когерентне світлове випромінювання високої потужності. Такий реактор-лазер міг би стати важливим елементом енергетики майбутнього. Зокрема, працюючи на космічній орбіті, він міг би передавати енергію на Землю у вигляді потужного лазерного променя.

2. ЗАСТОСУВАННЯ ЛАЗЕРІВ

2.1 застосування лазерного променя У ПРОМИСЛОВОСТІ І ТЕХНІКИ

Оптичні квантові генератори та їх випромінювання знайшли застосування в багатьох галузях промисловості. Так, наприклад, в індустрії спостерігається застосування лазерів для зварювання, обробки і розрізання металевих і діелектричних матеріалів і деталей у приладобудуванні, машинобудуванні і в текстильній промисловості. Починаючи з 1964 року малопродуктивне механічне свердління отворів стало замінятися лазерним свердлінням. Термін лазерне свердління не слід розуміти буквально. Лазерний промінь не з отвiр: він його пробиває за рахунок інтенсивного випаровування матеріалу в точці впливу. Приклад такого способу свердління - пробивання отворів у годинникових каменях, яка зараз вже є звичайною справою. Для цієї мети застосовуються твердотільні імпульсні лазери, наприклад, лазер на склі з неодимом. Отвір у камені (при товщині заготовки близько 0,1 - 0.5 мм.) Пробивається серією з декількох лазерних імпульсів, що мають енергію близько 0,1 - 0,5 Дж. і тривалістю близько 10-4 с. Продуктивність установки в автоматичному режимі складає 1 камінь у секунду, що в 1000 разів вище продуктивності механічного свердління. Лазер використовується і при виготовленні надтонких дротів з міді, бронзи, вольфраму та інших металів.

При виготовленні дротів застосовують технологію протягування (волочіння) дроту крізь отвори дуже малого діаметру. Ці отвори (або канали волочіння) висвердлюють у матеріалах, які мають особливо високу твердість, наприклад, в надтвердих сплавах. Найбільш твердий, як відомо, алмаз. Тому краще всього протягувати тонкий дріт крізь отвори в алмазі (алмазні фільєри). Тільки вони дозволяють отримати дріт діаметром всього 10 мкм. Однак, на механічне свердління одного отвору в алмазі потрібно 10 годин (!). Зате зовсім неважко пробити цей отвір серією з декількох потужних лазерних імпульсів. Як і у випадку з пробивкой отворів у годинникових каменях, для свердління алмазу використовуються твердотільні імпульсні лазери.

Лазерне свердління широко застосовується при отриманні отворів у матеріалах, які мають підвищену крихкістю. Як приклад можна навести підкладки мікросхем, виготовлені з глиноземний кераміки. Через високу крихкості кераміки механічне свердління виконується на "сирому" матеріалі. Обпалюють кераміку вже після свердління. При цьому відбувається деяка деформація вироби, спотворюється взаємне розташування висвердлених отворів. При використанні "лазерних свердел" можна спокійно працювати з керамічними підкладками, що вже пройшли випал. Цікаве застосування лазера і як універсального паяльника. Припустимо, що всередині електронно-променевої трубки сталася аварія - перегорів або обірвався який-небудь провід, порушився контакт. Трубка вийшла з ладу. Здавалося б, поломка невиправно, адже ЕПТ являє собою пристрій, всі внутрішні компоненти якого знаходяться у вакуумі, всередині скляного балона, і ніякому паяльника туди не проникнути. Однак, лазерний промінь дозволяє вирішувати і такі завдання. Направляючи промінь в потрібну точку і належним чином фокусує його, можна здійснити зварювальну роботу. Лазери з плавною перебудовою частоти служать основою для спектральних приладів з винятково високою роздільною силою.

Наприклад, нехай потрібно дослідити спектр поглинання якої-небудь речовини. Вимірявши величину лазерного потоку, що падає на об'єкт, що вивчається, і пройшов через нього, можна обчислити значення коефіцієнта поглинання. Перебудовуючи частоту лазерного випромінювання, можна, отже, визначити коефіцієнт поглинання як функцію від довжини хвилі. Роздільна здатність цього методу збігається, очевидно, з шириною лінії лазерного випромінювання, яку можна зробити дуже малою. Ширина лінії, що дорівнює, наприклад, 10-3 см-1 забезпечує таку ж роздільну здатність, як і дифракційна решітка з робочою поверхнею 5 м., а виготовлення таких грат являє собою майже нездійсненне завдання. Лазери дозволили здійснити светолокатор, за допомогою якого відстань до предметів вимірюється з точністю до декількох міліметрів. Така точність недоступна для радіолокаторів.

В даний час у світі існує кілька десятків лазерних локаційних систем. Багато з них вже мають космічне значення. Вони здійснюють локацію Місяця і геодезичних штучних супутників Землі. Як приклад можна назвати лазеро-локаційних систему Фізичного інституту імені П. М. Лебедєва. Похибка вимірювання при використанні даної системи складає 40 см. Проведення таких досліджень організовується для того, щоб точніше довідатися відстань до Місяця протягом деякого періоду часу, наприклад, протягом року. Досліджуючи графіки, що описують зміну цієї відстані з часом, вчені отримують відповіді на ряд питань, що мають наукову важливість.

Імпульсні лазерні локатори сьогодні застосовуються не тільки в космонавтиці, але і в авіації. Зокрема, вони можуть грати роль наукових вимірників висоти. Лазерний висотомір застосовувався також в космічному кораблі "Аполлон" для фотографування поверхні Місяця. Втім, у оптичних лазерних систем є і свої слабкі сторони. Наприклад, не так просто за допомогою гостронаправленої променя лазера виявити об'єкт, тому що час огляду контрольованій області простору виявляється занадто великим. Тому оптичні радіолокаційні системи використовуються разом з радіолокаційними. Останні забезпечують швидкий огляд простору, виявляють мета, а потім оптична система вимірює параметри мети і здійснює стеження за нею. Великий інтерес представляють останні розробки в галузі створення телевізора на основі лазерних технологій. Згідно з очікуваннями фахівців, такий телевізор повинен відрізнятися надвисоким якістю зображення. Варто також відзначити використання лазерів у вже давно відомих принтерах високої якості або лазерних принтерах. У цих пристроях лазерне випромінювання використовується для створення на спеціальному світлочутливому барабані прихованої копії друкованого зображення.

2.2 ЗАСТОСУВАННЯ ЛАЗЕРІВ У МЕДИЦИНІ

У медицині лазерні установки знайшли своє застосування у вигляді лазерного скальпеля. Його використання для проведення хірургічних операцій визначають наступні властивості:

1. Він виробляє щодо безкровний розріз, оскільки одночасно з розтином тканин він коагулює краю рани "заварюючи" не дуже великі кровоносні судини;

2. Лазерний скальпель відрізняється постійністю різальних властивостей. Попадання на твердий предмет (наприклад, кістка) не виводить скальпель з ладу. Для механічного скальпеля така ситуація стала б фатальною;

3. Лазерний промінь в силу своєї прозорості дозволяє хірургові бачити оперований ділянку. Лезо ж звичайного скальпеля, так само як і лезо електроножа, завжди в якійсь мірі загороджує від хірурга робоче поле;

4. Лазерний промінь розсікає тканину на відстані, не надаючи ніякого механічного впливу на тканину;

5. Лазерний скальпель забезпечує абсолютну стерильність, адже з тканиною взаємодіє тільки випромінювання;

6. Промінь лазера діє строго локально, випаровування тканини відбувається тільки в точці фокусу. Прилеглі ділянки тканини пошкоджуються значно менше, ніж при використанні механічного скальпеля;

7. Як показала клінічна практика, рана від лазерного скальпеля майже не болить і швидше загоюється.

Практичне застосування лазерів в хірургії почалося в СРСР в 1966 році в інституті імені А. В. Вишневського. Лазерний скальпель був застосований в операціях на внутрішніх органах грудної та черевної порожнин. В даний час лазерним променем роблять шкірно-пластичні операції, операції стравоходу, шлунка, кишечника, нирок, печінки, селезінки та інших органів. Дуже заманливо проведення операцій з використанням лазера на органах, що містять велику кількість кровоносних судин, наприклад, на серці, печінці.

В даний час інтенсивно розвивається новий напрямок в медицині-лазерна мікрохірургія ока. Дослідження в цій області ведуться в Одеському Інституті очних хвороб імені В. П. Філатова, в Московському НДІ мікрохірургії ока і в багатьох інших "очних центрах" країн співдружності Перше застосування лазерів в офтальмології було пов'язано з лікуванням відшарування сітківки. Всередину очі через зіницю надсилаються світлові імпульси від рубінового лазера (енергія імпульсу 0,01 - 0,1 Дж, тривалість порядку - 0,1 с.). Вони вільно проникають крізь прозоре склоподібне тіло і поглинаються сітківкою. Фокусуючи випромінювання на відшарувалися, останню "приварюють" до очного дна за рахунок коагуляції. Операція проходить швидко і абсолютно безболісно.

Взагалі, з найбільш серйозних захворювань ока, що призводять до сліпоти, виділяють п'ять. Це глаукома, катаракта, відшарування сітківки, діабетична ретинопатія і злоякісна пухлина. Сьогодні всі ці захворювання успішно лікуються за допомогою лазерів, причому тільки для лікування пухлин розроблено і використовується три методи:

1. Лазерне опромінення - опромінення пухлини розфокусованим лазерним променем, що приводить до загибелі ракових клітин, втрати ними здатності до розмноження

2. Лазерна коагуляція - руйнування пухлини помірно сфокусованим випромінюванням.

3. Лазерна хірургія - найбільш радикальний метод. Полягає в висічення пухлини разом з прилеглими тканинами сфокусованим випромінюванням.

2.3 ГОЛОГРАФІЯ

2.3.1 ВИНИКНЕННЯ ГОЛОГРАФІЯ

Метод фотографування, використовуваний для збереження зображення предметів, відомий вже досить довгий час і зараз це найдоступніший спосіб отримання зображення об'єкта на будь-якому носії (фотопапір, фотоплівка). Однак інформація, що міститься у фотографії дуже обмежена. Зокрема, відсутня інформація про відстані різних частин об'єкта від фотопластинки та інших важливих характеристиках. Іншими словами, звичайна фотографія не дозволяє відновити повністю той хвильовий фронт, який на ній був зареєстрований. У фотографії міститься більш-менш точна інформація про амплітудах зафіксованих хвиль, але повністю відсутня інформація про фази хвиль. Голографія дозволяє усунути цей недолік звичайної фотографії і записати на фотопластинці інформацію не тільки про амплітудах падаючих на неї хвиль, а й про фази, тобто повну інформацію. Хвиля, відновлена ​​за допомогою такого запису, повністю ідентична первісної, містить в собі всю інформацію, яку містила первісна хвиля. Тому метод був названий голографією, тобто методом повного запису хвилі. Для того щоб здійснити цей метод у світловому діапазоні, необхідно мати випромінювання з досить високим ступенем когерентності. Таке випромінювання можна отримати за допомогою лазера. Тому тільки після створення лазерів, що дають випромінювання з високою ступінню когерентності, вдалося практично здійснити голографію. Ідея голографії була висунута ще в 1920 році польським фізиком М. Вольфке (1883-1947), але була забута. У 1947 році незалежно від Вольфке ідею голографії запропонував і обгрунтував англійський фізик Д. Габор, відзначений за це в 1971 році Нобелівської премії.

2.3.2 СПОСОБИ голографирования

Говорячи про процес створення голографічного зображення, необхідно виділити етапи голографирования:

1. Реєстрація як амплітудних, так і фазових характеристик хвильового поля, відбитого об'єктом спостереження. Ця реєстрація відбувається на фотопластинках, які називають голограмами.

2. Витяг з голограми інформації про об'єкт, яка на ній зареєстрована. Для цього голограму просвічують світловим пучком.

Для здійснення цих етапів на практиці існує кілька способів.

Найбільш поширені з них - метод плоскої хвилі і метод зустрічних пучків.

Стандартна інтерференційна картина виходить при інтерференції когерентних світлових хвиль. Таким чином для реєстрації фазових співвідношень в хвильовому полі, яке виходить в результаті відображення хвилі об'єктом спостереження, необхідно, щоб об'єкт був висвітлений монохроматичним і когерентним в просторі випромінюванням. Тоді й поле, розсіяне об'єктом у просторі, буде володіти цими властивостями.

Якщо додати до досліджуваного полю, створюваному об'єктом, допоміжне полі тієї ж частоти, наприклад, плоску хвилю (її зазвичай називають опорною хвилею), то на всьому просторі, де обидві хвилі перетинаються, утворюється складне, але стаціонарний розподіл областей взаємного посилення і ослаблення хвиль, тобто стаціонарна інтерференційна картина, яку вже можна зафіксувати на фотопластинці.

Для того щоб відновити голографічне зображення, вже записане на голограму, останню необхідно висвітлити тим же променем лазера, який був використаний при записі. Зображення об'єкта формується в результаті дифракції світла на неоднорідних почорніння голограми.

У 1962 році радянським вченим Ю. М. Денисюком був запропонований метод одержання голографічних зображень, що є розвитком практично вже тоді не застосовувався способу кольоровий голографії Ліппмана. Об'єкт спостереження висвітлюється крізь фотопластинку (вона цілком прозора для світла навіть у непроявленому стані). Скляна підкладка фотопластинки покрита фотоемульсією з товщиною шару близько 15 - 20 мкм. Відбите від об'єкту хвильове поле поширюється тому у напрямку до шару фотоемульсії. Той, хто йде назустріч цій хвилі вихідний світловий пучок від лазера виконує роль опорної хвилі. Саме тому даний метод отримав назву методу зустрічних пучків. Інтерференція хвиль, що виникає в товщі фотоемульсії викликає її шарувату почорніння, яке реєструє розподіл, як амплітуд, так і фаз хвильового поля, розсіяного об'єктом спостереження. На голографії за методом зустрічних світлових пучків заснована кольорова голографія. Щоб усвідомити принцип дії кольоровий голографії потрібно нагадати, в яких випадках людське око сприймає зображення кольоровим, а не чорно-білим.

Досліди з фізіології зору показали, що людина бачить зображення кольоровим або хоча б близьким до натуральної забарвленні об'єкта, якщо воно відтворюється мінімум в трьох кольорах, наприклад, в синьому, червоному і зеленому. Поєднання цих кольорів здійснюється за найпримітивнішої кольорової репродукції, виконуваної методом літографії (для високохудожніх репродукцій використовується 10 - 15 барвиста друк)

З огляду на особливості людського сприйняття, щоб відновити кольорове зображення об'єкта, необхідно сам об'єкт висвітлити при запису голограми одночасно або послідовно лазерним випромінюванням трьох спектральних ліній, що відстоять по довжинах хвиль досить далеко один від одного. Тоді в товщі фотоемульсії утворюється три системи стоячих хвиль і, відповідно, три системи просторових решіток з різним розподілом почорніння. Кожна з цих систем буде формувати зображення об'єкта у своєму спектральному ділянці білого кольору, що використовується при відновленні зображення. Завдяки цьому в відбитому від обробленої голограми розбіжним пучком білого світла вийде кольорове зображення об'єкта, як результат суперпозиції трьох ділянок спектру, що відповідає мінімальним фізіологічним вимогам зору людини. Голографирования за методом Денисюка широко використовується для отримання високоякісних об'ємних копій різних предметів, наприклад, унікальних творів мистецтва.

2.3.3 застосування голографії

Як вже було зазначено, первинне завдання голографії полягала в отриманні об'ємного зображення. З розвитком голографії на товстошарові пластинах виникла можливість створення об'ємних кольорових фотографій. На цій базі досліджуються шляхи реалізації голографічного кіно, телебачення і т. д. Один з методів прикладної голографії, іменований голографічної інтерферометрії, знайшов дуже широке поширення. Суть методу в наступному. На одну фотопластинку послідовно реєструються два інтерференційні картини, що відповідають двом різним, але мало відрізняється станам об'єкта, наприклад, при деформації. При просвічуванні такий "подвійної" голограми утворюються, очевидно, два зображення об'єкта, змінені відносно один одного в тій же мірі, що й об'єкт у двох його станах.

Відновлені хвилі, що формують ці два зображення, когерентні, інтерферують, і на новому зображенні спостерігаються інтерференційні смуги, які й характеризують зміну стану об'єкта. В іншому варіанті голограма виготовляється для якогось певного стану об'єкта. При просвічуванні її об'єкт не видаляється і проводиться його повторне освітлення, як на першому етапі голографирования. Тоді знову виходить дві хвилі, одна формує голографічне зображення, а інша поширюється від самого об'єкта. Якщо тепер відбуваються якісь зміни у стані об'єкта (у двох послідовних хвилях виникає різниця порівняння з тим, що було під час експонування голограми), то між зазначеними ходу, і зображення покривається інтерференційними смугами.

Описаний спосіб застосовується для дослідження деформацій предметів, їх вібрацій, поступального руху і обертань, неоднорідності прозорих об'єктів і т. п. Інтерференційна картина наочно свідчить про відмінність деформацій, напружень у тілі, крутильні моменти, розподіл температур і т. д. Голографія може застосовуватися для забезпечення точності обробки деталей.

2.4 ЛАЗЕРНІ ТЕХНОЛОГІЇ - ЗАСІБ ЗАПИСИ І ОБРОБКИ ІНФОРМАЦІЇ

В даний час лазерні технології активно використовуються як засіб запису і обробки великих обсягів інформації. І тут слід відзначити появу принципово нового виду носія інформації - компакт-диска. Як ми знаємо, в аудіо-та відеокасетах, які до недавнього часу були, мабуть, найпоширенішим засобом збереження даних, використовувалися магнітні явища. До компакт-диску ж застосований інший підхід. Сам диск (CD-ROM) являє собою пластину круглої форми, на одній стороні якого нанесено маркування диска. Інша ж сторона є робочою і на перший погляд вона абсолютно гладка. Однак, це не так, тому що якщо б це було так, то ні про яке збереженні інформації не могло б бути й мови. Всередині спеціального пристрою робоча поверхня диска як би сканується лазерним променем невеликої потужності (як правило 0,14 мВт при довжині хвилі 790 нм.). При такому скануванні визначається, що знаходиться усередині плями лазерного променя - поглиблення чи ні? Не вдаючись у комп'ютерну техніку можна тільки сказати, що наявність поглиблення відповідає логічній одиниці, а в усіх комп'ютерних технологіях використовуються тільки два стани - НУЛЬ і ОДИНИЦЯ. Далі використовуючи спеціальні таблиці можна розшифрувати послідовність цих нулів та одиниць і отримати вихідну інформацію. Запис таких дисків проводиться також за допомогою лазерів, але тут мова йде про набагато більшої потужності лазера. Завдяки тому, що випалювання пітів (канавок) на поверхні диска проводиться за допомогою лазера, можна досягти дуже великої щільності запису інформації, так як діаметр лазерного променя, а, отже, і пита дуже малий.

Цікаве застосування голографії в якості носія інформації. Часто необхідно отримати об'ємне зображення предмета, якого ще не існує, і, отже, не можна одержати голограму такого предмета оптичними методами. У цьому випадку голограма розраховується на ЕОМ (цифрова голограма) і результати розрахунку відповідним чином переносяться на фотопластинку. З отриманої таким способом машинної голограми об'ємне зображення предмета відновлюється звичайним оптичним способів. Поверхня предмета, отриманого з машинної голограмі, використовується як еталон, з яким методами голографічної інтерференції проводиться порівняння поверхні реального предмета, виготовленого відповідними інструментами. Голографічна інтерферометрія дозволяє зробити порівняння поверхні виготовленого предмета і еталона з надзвичайно великою точністю до часток довжини хвилі. Це дає можливість виготовляти з такою ж великою точністю дуже складні поверхні, які було б неможливо виготовити без застосування цифрової голографії і методів голографічної інтерферометрії. Само собою зрозуміло, що для порівняння еталонної поверхні з виготовленої не обов'язково відновлювати оптичним способом машинну голограму. Можна зняти голограму предмета, перевести її на цифрову мову ЕОМ і порівняти з цифровою голограмою. Обидва ці шляхи в принципі еквівалентні. Особливості голограм як носіїв інформації роблять дуже перспективними розробки по створенню голографічної пам'яті, яка характеризується великим обсягом, надійністю, швидкістю прочитування і т. д.

ВИСНОВОК

Лазер - один з найпотужніших інструментів сьогоднішньої науки. Не можливо перерахувати всі області його застосування, так як кожен день для лазера знаходяться нові завдання.

У даній роботі були розглянуті основні види лазерів та їх принцип роботи. Були також охоплені основні сфери застосування, а саме: промисловість, медицина, інформаційні технології, наука.

Такі різноманітні завдання можуть виконуватися за допомогою лазера завдяки його властивостям. Когерентність, монохроматичность, висока енергетична щільність дозволяють вирішувати складні технологічні операції.

Лазер - інструмент майбутнього, вже міцно ввійшов у наше життя.

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

  1. Айден К. Апаратні засоби PC: переклад з нім. - Санкт-Петербург.: BHV-СПб, 1996. - 544 с.

  2. Китайгородський А. І. Фізика для всіх: Фотони і ядра. - М.: Наука, 1982 - 208 с.

  3. Ландсберг Г. С. Оптика. - М.: Наука, 1976. - 928 с.

  4. Ландсберг Г. С. Елементарний підручник фізики. - М.: Наука, 1986. - Т.3 .- 656 с.

  5. Матвєєв А. Н. Оптика. - М.: Вища школа, 1985. - 351 с.

  6. Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б. Фізика. - М.: Просвещение, 1998. - 254 с.

  7. Сивухин В. А. Загальний курс фізики. Оптика. - М.: Наука, 1980. - 752 с.

  8. Тарасов Л. В. Лазери. Дійсність і надії. - М. Наука, 1985. -176 С.

Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Фізика та енергетика | Курсова
152.9кб. | скачати


Схожі роботи:
Лазери і їх застосування
Революція в оптиці лазери та їх застосування 2
Революція в оптиці лазери та їх застосування
Лазери
Лазери 2
Лазери на вільних електронах
СО2 лазери з внутрірезонаторними електронним управлінням параметрами випромінювання
Oтпаянние ТЕА-лазери УФ-і ближнього ІЧ-діапазонів для застосувань в лазерній хімії та діагностиці
Застосування норм іноземного сімейного права і обмеження його застосування
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru