додати матеріал


Революція в оптиці лазери та їх застосування

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

скачати

Міністерство освіти РФ
 
Новосибірська Державна Академія Економіки та Управління
 
 
 
 
 
 

Кафедра: Концепції сучасного природознавства і

наукомістких технологій.
 
 
 
Тема: Революція в оптиці (лазери та їх застосування).

Виконав: студент 1 курсу 3080
Мізев М. М.
Залікова книжка № 030854 Керівник: Дєнєжкін Є. Н.

Новосибірськ 2003


ВСТУП .


Одним з найбільших досягнень фізики другої половини двадцятого століття було відкриття фізичних явищ, що послужили основою для створення дивного приладу - оптичного квантового генератора, або лазера.
Лазер являє собою джерело монохроматичного когерентного світла з високою спрямованістю світлового променя. Саме слово "лазер" складається з перших букв англійського словосполучення, що означає "посилення світла в результаті вимушеного випромінювання".
Дійсно, основний фізичний процес, що визначає дію лазера, - це вимушене випускання випромінювання. Воно відбувається при взаємодії фотона з порушеною атомом при точному співпадінні енергії фотона з енергією збудження атома (або молекули)
У результаті цієї взаємодії атом переходить у збудженому стані, а надлишок енергії випромінюється у вигляді нового фотона з точно такою ж енергією, напрямком поширення і поляризацією, як і у первинного фотона. Таким чином, наслідком даного процесу є наявність вже двох абсолютно ідентичних фотонів. При подальшій взаємодії цих фотонів з збудженими атомами, аналогічними першого атому, може виникнути ланцюгова реакція розмноження однакових фотонів, що летять абсолютно точно в одному напрямку, що призведе до появи вузькоспрямованого світлового променя. Для виникнення лавини ідентичних фотонів необхідне середовище, в якій збуджених атомів було б більше, ніж збудженому, оскільки при взаємодії фотонів з збудженого атома відбувалося б поглинання фотонів. Таке середовище
називається середовищем з інверсною населеністю рівнів енергії.
Отже, крім вимушеного випускання фотонів збудженими атомами відбуваються також процес мимовільного, спонтанного випускання фотонів при переході збудженими атомами в збудженому стані і процес поглинання фотонів при переході атомів з збудженому стану в збуджений. Ці три процеси, що супроводжують переходи атомів у збуджені стани і назад, були постульовано А. Ейнштейном в 1916 р.
Якщо число збуджених атомів велика і існує інверсна виділених рівнів (у верхньому, збудженому стані атомів більше, ніж у нижньому, збудженому), то перший же фотон, що народився в результаті спонтанного випромінювання, викличе всенарастающую лавину появи ідентичних фотонів. Відбудеться посилення спонтанного випромінювання.
На можливість посилення світла в середовищі з інверсно населеністю за рахунок вимушеного випускання вперше вказав у 1939 р. радянський фізик В.А. Фабрикант, що запропонував створювати інверсну населеність в електричному розряді в газі.
При одночасному народженні великого числа спонтанно іспущенних фотонів виникне велика кількість лавин, кожна з яких буде поширюватися у своєму напрямку, заданому початковим фотоном відповідної лавини. У результаті ми отримаємо потоки квантів світла, але не зможемо отримати ні спрямованого променя, ні високої монохроматичности, так як кожна лавина ініціювалася власним первісним фотоном. Для того щоб середу з інверсною населеністю можна було використовувати для генерації лазерного променя, тобто спрямованого променя з високою монохроматичністю, необхідно знімати інверсну населеність за допомогою первинних фотонів, вже володіють однією й тією ж енергією, що збігається з енергією даного переходу в атомі. У цьому випадку ми будемо мати лазерний підсилювач світла.
Існує, проте, й інший варіант отримання лазерного променя, пов'язаний з використанням системи зворотного зв'язку. Спонтанно народилися фотони, напрям поширення яких не перпендикулярно площині дзеркал, створять лавини фотонів, що виходять за межі середовища. У той же час фотони, напрям поширення яких перпендикулярно площині дзеркал, створять лавини, багаторазово посилюються в середовищі внаслідок багаторазового відбиття від дзеркал. Якщо одне із дзеркал буде володіти невеликим пропусканням, то через нього буде виходити спрямований потік фотонів перпендикулярно площині дзеркал. При правильно підібраному пропущенні дзеркал, точної їх налаштування щодо один одного і відносно поздовжньої осі середовища з інверсною населеністю зворотний зв'язок може виявитися настільки ефективною, що випромінюванням можна буде повністю знехтувати в порівнянні з випромінюванням, що виходить через дзеркала. На практиці це, дійсно, вдається зробити. Таку схему зворотного зв'язку називають оптичним резонатором, і саме цей тип резонатора використовують у більшості існуючих лазерів.
У 1955 р. одночасно і незалежно Н.Г. Басовим та А.М. Прохоровим в СРСР і Ч. Таунсом в США був запропонований принцип створення першого в світі генератора квантів електромагнітного випромінювання на середовищі з інверсною населеністю, в якому вимушене випускання в результаті використання зворотного зв'язку призводило до генерації надзвичайно монохроматичного випромінювання.
Через кілька років, в 1960 р., американським фізиком Т. Мейманом був запущений перший квантовий генератор оптичного діапазону - лазер, у якому зворотній зв'язок здійснювалася за допомогою описаного вище оптичного резонатора, а інверсна населеність збуджувалася в кристалах рубіна, що опромінюються випромінюванням ксенонової лампи-спалаху .
Розглянемо деякі унікальні властивості лазерного випромінювання.
При спонтанному випромінюванні атом випромінює спектральну лінію кінцевої ширини. При лавиноподібне наростання числа вимушено іспущенних фотонів в середовищі з інверсно населеністю інтенсивність випромінювання цієї лавини буде зростати насамперед у центрі спектральної лінії даного атомного переходу, і в результаті цього процесу ширина спектральної лінії початкового спонтанного випромінювання буде зменшуватися. На практиці в спеціальних умовах вдається зробити відносну ширину спектральної лінії лазерного випромінювання в 10000000-100000000 разів менше, ніж ширина
самих вузьких ліній спонтанного випромінювання, що спостерігаються в природі.
Крім звуження лінії випромінювання в лазері вдається отримати расходимость променя менш 0,00001 Радіана, тобто на рівні кутових секунд.
Відомо, що спрямований вузький промінь світла можна отримати в принципі від будь-якого джерела, поставивши на шляху світлового потоку ряд екранів з маленькими отворами, розташованими на одній прямій. Уявімо собі, що ми взяли нагріте чорне тіло і за допомогою діафрагм отримали промінь світла, з якого за допомогою призми або іншого спектрального приладу виділили промінь з шириною спектру, відповідній ширині спектра лазерного випромінювання. Знаючи потужність лазерного випромінювання, ширину його спектру та кутову расходимость променя, можна за допомогою формули Планка обчислити температуру уявного чорного тіла, використаного як джерело світлового променя, еквівалентного лазерному променю. Цей розрахунок приведе нас до фантастичної цифри: температура чорного тіла повинна бути порядку десятків мільйонів градусів! Дивна властивість лазерного променя - його висока ефективна температура (навіть при відносно малій середньої потужності лазерного випромінювання або малої енергії лазерного імпульсу) відкриває перед дослідниками великі можливості, абсолютно нездійсненні без використання лазера.
Лазери розрізняються способом створення в середовищі інверсної населеності, або, інакше кажучи, способом накачування (оптична накачка, збудження електронним ударом, хімічна накачування і т. п.); робочим середовищем (гази, рідини, скла, кристали, напівпровідники і т. д. ); конструкцією резонатора; режимом роботи (імпульсний, безперервний). Ці відмінності визначаються різноманіттям вимог до характеристик лазера у зв'язку з його практичними застосуваннями.

ЛАЗЕРНА ТЕХНОЛОГІЯ .


Лазерні технологічні процеси можна умовно розділити на два види. Перший з них використовує можливість надзвичайно тонкої фокусування лазерного променя і точного дозування енергії як в імпульсному, так і в безперервному режимі. У таких технологічних процесах застосовують лазери порівняно невисокою середньої потужності - це газові лазери імпульсно-періодичної дії, лазери на кристалах ітрій алюмінієвого граната з домішкою неодиму. За допомогою останніх розробили технологія свердління тонких отворів (діаметром 1 - 10 мкм і глибиною до 10 - 100 мкм) в рубінових і алмазних каменях для годинникової промисловості і технологія виготовлення фильеров для протягання тонкої дроту. Основна область застосування малопотужних імпульсних лазерів пов'язані з різкою і зварюванням мініатюрних деталей в мікроелектроніці та електровакуумної промисловості, з маркуванням мініатюрних деталей, автоматичним випалюванням цифр, букв, зображень потреб поліграфічної промисловості.
В останні роки в одній з найважливіших областей мікроелектроніки, фотолітографії, без застосування якої неможливо виготовлення надмініатюрних друкованих плат, інтегральних схем та інших елементів мікроелектронної техніки, звичайні джерела світла вживають лазерні. За допомогою лазера на XeCL (1 = 308 нм) вдається отримати дозвіл в фотолитографической техніці до 0,15 - 0,2 мкм.
Подальший прогрес у субмикронной літографії пов'язаний із застосуванням у якості експонує джерела світла м'якого рентгенівського випромінювання з плазми, створюваної лазерним променем. У цьому випадку межа дозволу, що визначається довжиною хвилі рентгенівського випромінювання (1 = 0,01 - 0,001 мкм), виявляється просто фантастичним.
Другий вид лазерної технології заснований на застосуванні лазерів з великою середньою потужністю: від 1 кВт і вище. Потужні лазери використовують у таких енергоємних технологічних процесах, як різка і зварювання товстих сталевих листів, поверхневе загартування, наплавлення і легування великогабаритних деталей, очищення будинків від поверхонь забруднень, різка мармуру, граніту, розкрій тканин, шкіри та інших матеріалів. При лазерної зварюванні металів досягається висока якість шва і не потрібно застосування вакуумних камер, як при електроннопроменевої зварюванні, а це дуже важливо в конвеєрному виробництві.
Потужна лазерна технологія знайшла застосування в машинобудуванні, автомобільній промисловості, промисловості будівельних матеріалів. Вона дозволяє не тільки підвищити якість обробки матеріалів, а й поліпшити техніко-економічні показники виробничих процесів. Так, швидкість лазерного зварювання сталевих листів товщиною 14 мКм досягає 100м / год при витраті електроенергії 10 кВт / год


ПРИНЦИП ДІЇ ЛАЗЕРІВ.


Лазерне випромінювання - є свічення об'єктів при нормальних температурах. Але в звичайних умовах більшість атомів знаходяться в 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:
hv = E 2-E 1,
де hv - величина, що відповідає кількості витраченої енергії,
E 2 - енергія вищого енергетичного рівня,
E 1 - енергія нижчого енергетичного рівня.
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,
Е 2 - Е 1 - 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.

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. 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. Тоді джерела хвиль можна назвати когерентними.
Когерентність хвиль, і джерел цих хвиль можна визначити математично. Нехай Е 1 - напруженість електричного поля, що створюється перший пучком світла, Е 2 - другим. Припустимо, що пучки перетинаються в деякій точці простору А. Тоді згідно з принципом суперпозиції напруженість поля в точці А дорівнює:
Е = Е 1 + Е 2
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 = E 2.
Змінюючи величину I на певну раніше величину Е, отримуємо
I = I 1 + I 2 + I 12,
де I 1 - інтенсивність світла першого пучка,
I 2 - інтенсивність світла другого пучка.
Останній доданок I 12 враховує взаємодію пучків світла і називається інтерференційних членом. Це складова одно:
I 12 = 2 (E 1 * E 2).
Якщо взяти незалежні джерела світла, наприклад, дві електричні лампочки, то повсякденний досвід показує, що I = I 1 + I 2, 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 ¹ I 1 + I 2. У цьому випадку в одних точках простору результуюча інтенсивність I більше, в інших - менше інтенсивностей I 1 і I 2. 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.

МОНОХРОМОТІЧНОСТЬ ЛАЗЕРНОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ. ЙОГО ПОТУЖНІСТЬ.


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.
Потужність лазера. Лазери є найбільш потужними джерелами світлового випромінювання. У вузькому інтервалі спектра короткочасно (протягом проміжку часу, тривалістю порядку 10 -13 с.) У деяких типів лазерів досягається потужність випромінювання порядку 10 17 Вт / см 2, у той час як потужність випромінювання Сонця дорівнює лише 7 * 10 3 Вт / см 2, 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 / см 2. Якщо завдання полягає в подоланні порогу в 10 17 Вт / см 2, 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.
Метод модульованої добротності. Щоб збільшити число атомів, що беруть участь майже одночасно в посиленні світлового потоку, необхідно затримати початок генерації, щоб накопичити якомога більше збуджених атомів, що створюють інверсну заселеність, для чого треба підняти поріг генерації лазера і зменшити добротність. Порогом генерації називають граничне число атомів, здатних перебувати у збудженому стані. Це можна зробити за допомогою збільшення втрат світлового потоку. Наприклад, можна порушити паралельність дзеркал, що різко зменшить добротність системи. Якщо при такій ситуації почати накачування, то навіть при значній інверсії заселеності рівнів генерація не починається, оскільки поріг генерації високий. Поворот дзеркала до паралельного іншому дзеркала положення підвищує добротність системи і тим самим знижує поріг генерації. Коли добротність системи забезпечить початок генерації, інверсна заселеність рівнів буде досить значною. Тому потужність випромінювання лазера сильно збільшується. Такий спосіб управління генерацією лазера називається методом модульованим добротності.
Тривалість імпульсу випромінювання залежить від того, протягом якого часу внаслідок випромінювання інверсна заселеність зміниться настільки, що система вийде з умови генерації. Тривалість залежить від багатьох чинників, але зазвичай складає 10 -7 -10 -8 с. Дуже поширене модулювання добротності за допомогою обертової призми. При певному положенні вона забезпечує повне відображення падаючого уздовж осі резонатора променя в зворотному напрямку. Частота обертання призми становить десятки або сотні герц. Імпульси лазерного випромінювання мають таку ж частоту.
Більш часте повторення імпульсів може бути досягнуто модуляцією добротності з допомогою осередку Керра (швидкодіючий модулятор світла). Осередок Керра і поляризатор поміщають в резонатор. Поляризатор забезпечує генерацію лише випромінювання певної поляризації, а осередок Керра орієнтована так, щоб при накладенні на неї напруги не проходило світло з цією поляризацією. При накачуванні лазера напругу з осередку Керра знімається в такий момент часу, щоб почалася при цьому генерація була найбільш сильною. Для кращого розуміння цього методу можна провести аналогію з відомим зі шкільного курсу фізики досвідом з турмаліном.
Є також і інші способи введення втрат, що призводять до відповідних методів модуляції добротності.

Гиганські ІМПУЛЬС.


Стосовно до лазерним технологіям використовується термін гігантський імпульс. Таким називають імпульс, що володіє дуже великою енергією при надмалій тривалості.
Сама по собі ідея створення гігантського імпульсу проста при використанні оптичного затвора - спеціального пристрою, який за сигналом може переходити з відкритого стану в закрите і навпаки. У відкритому стані затвор пропускає через себе лазерне випромінювання, в закритому - поглинає або відхиляє його в інший бік. При створенні гігантського імпульсу затвор переводять в закритий стан ще до того, як почнеться висвічування енергії накачування. Потім, у міру поглинання енергії активні центри (атоми, які беруть участь у генерації) переходять в масовому порядку на довгоживучий верхній рівень. Генерація в лазері поки не здійснюється, адже затвор закритий. У результаті на аналізованому рівні накопичується надзвичайно велике число активних центрів - створюється дуже сильна інверсна заселеність рівнів. У певний момент затвор перемикають у відкритий стан. У певному відношенні це схоже на те, якщо б висока гребля, що створювала величезний перепад рівнів води, раптом несподівано зникла. Відбувається швидке і дуже бурхливий висвічування активних центрів, в результаті чого і народжується короткий і потужний лазерний імпульс - гігантський імпульс. Його тривалість становить 10 -8 с., А максимальна потужність 10 8 Вт.

ЗАСТОСУВАННЯ ЛАЗЕРІВ .


Перш за все слід зазначити, що дослідження взаємодії лазерного випромінювання з речовиною представляють виключно великий науковий інтерес. Лазери знаходять широке застосування в сучасних фізичних, хімічних і біологічних дослідженнях, що мають фундаментальний характер.
Яскравим прикладом можуть бути дослідження в області нелінійної оптики. Як вже зазначалося, лазерне випромінювання, що володіє досить високою потужністю, може оборотно змінювати фізичні характеристики речовини, що призводить до різних нелінійно-оптичних явищ.
Лазер дає можливість здійснювати сильну концентрацію світлової потужності в межах дуже вузьких частотних інтервалів: при цьому можлива також плавна перебудова частоти. Тому лазери широко застосовуються для отримання та дослідження оптичних спектрів речовин. Лазерна спектроскопія відрізняється виключно високим ступенем точності (високим дозволом). Лазери дозволяють також здійснювати виборче збудження тих чи інших станів атомів і молекул, виборчий розрив певних хімічних зв'язків. У результаті виявляється можливим ініціювання конкретних хімічних реакцій, управління розвитком цих реакцій, дослідження їх кінетики.
Пикосекундной лазерні імпульси дали початок дослідженням цілого ряду бистропротекающих процесів в речовині і, зокрема, в біологічних структурах. Зазначимо, наприклад, фундаментальні дослідження процесів фотосинтезу. Ці процеси дуже складні і, до того ж, протікають украй швидко - в пикосекундной часовій шкалі. Використання надкоротких світлових імпульсів дає унікальну можливість прослідкувати за розвитком подібних процесів і навіть моделювати окремі їхні ланки.
Роль лазерів у фундаментальних наукових дослідженнях виключно велика. Більш детальна розмова на цю тему зажадала б, однак, розгляду ряду спеціальних питань, а також відповідної підготовки читача. Тому, кажучи нижче про цілях лазерів, зосередимо увагу лише на чисто практичних цілях і, зокрема, промислових застосуваннях.
При обговоренні практичних застосувань лазерів зазвичай виділяють два напрямки. Перший напрямок пов'язують із застосуваннями, в яких лазерне випромінювання (як правило, досить високої потужності) використовується для цілеспрямованого впливу на речовину. Сюди відносять лазерну обробку матеріалів (наприклад, зварювання, термообробку, різання, пробивання отворів), лазерне поділ ізотопів, застосування лазерів в медицині і т. д. Другий напрямок пов'язують з так званими інформативними застосуваннями лазерів - для передачі та обробки інформації, для здійснення контролю і вимірювань.

Застосування лазерного променя В 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 фокусуючи 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.

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.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ДЕЯКИХ ТИПІВ ЛАЗЕРІВ.


В даний час є величезна різноманітність лазерів, що відрізняються між собою активними середовищами, потужностями, режимами роботи і іншими характеристиками. Немає необхідності всі їх описувати. Тому тут дається короткий опис лазерів, які досить повно представляють характеристики основних типів лазерів (режим роботи, способи накачування і т. д.)
Рубіновий лазер. Першим квантовим генератором світла був рубіновий лазер, створений в 1960 році.
Робочим речовиною є рубін, що представляє собою кристал оксиду алюмінію Аl 2 O 3 (корунд), у який при вирощуванні введена у вигляді домішки оксид хрому Сr 2 Оз. Червоний колір рубіна обумовлений позитивним іоном Сr +3. У гратах кристала Аl 2 О 3 іон Сг +3 заміщає іон Аl +3. Внаслідок цього в кристалі виникають дві смуги поглинання: одна-у зеленій, інша-в блакитній частині спектра. Густота червоного кольору рубіна залежить від концентрації іонів Сг +3: чим більше концентрація, тим густіше червоний колір. У темно-червоному рубіні концентрація іонів Сг +3 досягає 1%.
Поряд з блакитною і зеленою смугами поглинання є два вузьких енергетичних рівня Е 1 і Е 1 ' , При переході з яких на основний рівень випромінюється світло з довжинами хвиль 694,3 і 692,8 нм. Ширина ліній становить при кімнатних температурах приблизно 0,4 нм. Імовірність вимушених переходів для лінії 694,3 нм більше, ніж для 692,8 нм. Тому простіше працювати з лінією 694,3 нм. Однак можна здійснити генерацію і лінії 692,8 нм, якщо використовувати спеціальні дзеркала, що мають великий коефіцієнт відбиття для випромінювання l = 692,8 нм і малий - для l = 694,3 нм.
При опроміненні рубіна білим світлом блакитна й зелена частини спектра поглинаються, а червона відбивається. У рубіновому лазері використовується оптична накачка ксеноновим лампою, яка дає спалахи світла великої інтенсивності при проходженні через неї імпульсу струму, що нагріває газ до декількох тисяч Кельвін. Безперервна накачування неможлива, тому що лампа при настільки високій температурі не витримує безперервного режиму роботи. Що виникає випромінювання близько за своїми характеристиками до випромінювання абсолютно чорного тіла. Випромінювання поглинається іонами Cr +, перехідними в результаті цього на енергетичні рівні в області смуг поглинання. Однак з цих рівнів іони Сr +3 дуже швидко в результаті безвипромінювальної переходу переходять на рівні Е 1, Е 1 '. При цьому надлишок енергії передається решітці, тобто перетворюється в енергію коливань решітки або, іншими словами, в енергію фотонів. Рівні Е 1, Е 1 ' метастабільних. Час життя на рівні Е 1 одно 4,3 мс. У процесі імпульсу нагнітання на рівнях Е 1, Е 1 ' накопичуються збуджені атоми, що створюють значну інверсну заселеність щодо рівня Е 0 (це рівень збудженому атомів).
Кристал рубіна вирощується у вигляді круглого циліндра. Для лазера зазвичай використовують кристали розміром: довжина L = 5 см, діаметр d = 1 см. Ксеноновий лампа і кристал рубіна містяться в еліптичну порожнину з добре відбиває внутрішньою поверхнею. Щоб забезпечити попадання на рубін всього випромінювання ксенонової лампи, кристал рубіна і лампа, що має також форму круглого циліндра, поміщаються в фокуси еліптичного перетину порожнини паралельно її створює. Завдяки цьому на рубін направляється випромінювання з густиною, практично рівною щільності випромінювання на джерелі накачування.
Один з кінців рубінового кристала зрізаний так, що від граней зрізу забезпечується повне відображення і повернення променя назад. Такий зріз замінює одне з дзеркал лазера. Другий кінець рубінового кристала зрізаний під кутом Брюстера. Він забезпечує вихід із кристала рубіна без відображення променя з відповідною лінійною поляризацією. Друге дзеркало резонатора ставиться на шляху цього променя. Таким чином, випромінювання рубінового лазера лінійно поляризоване.
Гелій-неоновий лазер. Активною середовищем є газоподібна суміш гелію й неону. Генерація здійснюється за рахунок переходів між енергетичними рівнями неону, а гелій грає роль посередника, через який енергія передається атомам неону для створення інверсної заселеності.
Неон, в принципі, може генерувати лазерне вивчення в результаті більше 130 різних переходів. Однак найбільш інтенсивними є лінії з довжиною хвилі 632,8 нм, 1,15 і 3,39 мкм. Хвиля 632,8 нм знаходиться у видимій частині спектру, а хвилі 1,15 і 3,39 мкм - в інфрачервоній.
При пропущенні струму через гелій-неонове суміш газів електронним ударом атоми гелію збуджуються до станів 2 березня S та 2 2 S, які є метастабільними, оскільки перехід в основний стан з них заборонений квантово-механічними правилами відбору. При проходженні струму атоми накопичуються на цих рівнях. Коли збуджений атом гелію зіштовхується з збудженого атома неону, енергія збудження переходить до останнього. Цей перехід здійснюється дуже ефективно завдяки хорошому збігу енергії відповідних рівнів. Внаслідок цього на рівнях 3S й 2S неону утвориться інверсна заселеність щодо рівнів 2P і 3P, що приводить до можливості генерації лазерного випромінювання. Лазер може оперувати в безперервному режимі. Випромінювання гелій-неонового лазера лінійно поляризоване. Зазвичай тиск гелію в камері становить 332 Па, а неону - 66 Па. Постійна напруга на трубці близько 4 кВ. Одне з дзеркал має коефіцієнт відбиття порядку 0,999, а друге, через яке виходить лазерне випромінювання, - близько 0,990. В якості дзеркал використовують багатошарові діелектрики, оскільки більш низькі коефіцієнти відображення не забезпечують досягнення порогу генерації.
Газові лазери. Вони являють собою, мабуть, найбільш широко використовується в даний час тип лазерів і, можливо, в цьому відношенні вони перевершують навіть рубінові лазери. Газовим лазерам також присвячена більша частина виконаних досліджень. Серед різних типів газових лазерів завжди можна знайти такий, який буде задовольняти майже будь-якому вимогу, висунутій до лазеру, за винятком дуже великої потужності у видимій області спектра в імпульсному режимі. Великі потужності необхідні для багатьох експериментів при вивченні нелінійних оптичних властивостей матеріалів. В даний час великі потужності в газових лазерах не отримані з тієї простої причини, що щільність атомів у них недостатньо велика. Проте майже для всіх інших цілей можна знайти конкретний тип газового лазера, який буде перевершувати як твердотільні лазери з оптичним накачуванням, так і напівпровідникові лазери. Багато зусиль було спрямовано на те, щоб ці лазери могли конкурувати з газовими лазерами, і в ряді випадків був досягнутий певний успіх, проте він завжди опинявся на межі можливостей, у той час як газові лазери не виявляють жодних ознак зменшення популярності.
Особливості газових лазерів часто обумовлені тим, що вони, як правило, є джерелами атомних або молекулярних спектрів. Тому довжини хвиль переходів точно відомі. Вони визначаються атомної структурою і зазвичай не залежать від умов навколишнього середовища. Стабільність довжини хвилі генерації за певних зусиль може бути значно поліпшена в порівнянні зі стабільністю спонтанного випромінювання. В даний час є лазери з монохроматичністю, кращої, ніж у будь-якому іншому приладі. При відповідному виборі активного середовища може бути здійснена генерація в будь-якій частині спектру, від ультрафіолетової (~ 2ООО А) до далекої інфрачервоної області (~ 0,4 мм), частково захоплюючи мікрохвильову область.
Немає також підстав сумніватися, що в майбутньому вдасться створити лазери для вакуумного ультрафіолетової області спектра. Розрідженість робочого газу забезпечує оптичну однорідність середовища з низьким коефіцієнтом заломлення, що дозволяє застосовувати просту математичну теорію для опису структури мод резонатора і дає впевненість у тому, що властивості вихідного сигналу близькі до теоретичних. Хоча ККД перетворення електричної енергії в енергію вимушеного випромінювання в газовому лазері не може бути таким великим, як у напівпровідниковому лазері, проте завдяки простоті управління розрядом газовий лазер виявляється для більшості цілей найбільш зручним у роботі як один з лабораторних приладів. Що стосується великої потужності в безперервному режимі (на противагу імпульсної потужності), то природа газових лазерів дозволяє їм у цьому відношенні перевершити всі інші типи лазерів.
С0 2-лазер із замкнутим об'ємом. Молекули вуглекислого газу, як і інші молекули, мають смугастий спектр, обумовлений наявністю коливальних і обертальних рівнів енергії. Використовуваний у CO 2 - лазері перехід дає випромінювання з довжиною хвилі 10,6 мкм, тобто лежить в інфрачервоній області спектру. Користуючись коливальними рівнями, можна дещо варіювати частоту випромінювання в межах приблизно від 9,2 до 10,8 мкм. Енергія молекул CO 2 передається від молекул азоту N 2, які самі збуджуються електронним ударом при проходженні струму через суміш.
Збуджений стан молекули азоту N 2 є метастабільним і відстоїть від основного рівня на відстані 2318 см -1, що досить близько до енергетичного рівня (001) молекули CO 2. Зважаючи метастабільності збудженого стану N 2 при проходженні струму число збуджених атомів накопичується. При зіткненні N 2 з CO 2 відбувається резонансна передача енергії збудження від N 2 до CO 2. Внаслідок цього виникає інверсія заселення між рівнями (001), (100), (020) молекул CO 2. Зазвичай для зменшення заселеності рівня (100), який має великий час життя, що погіршує генерацію при переході на цей рівень, додають гелій. У типових умовах суміш газів в лазері складається з гелію (1330 Па), азоту (133 Па) і вуглекислого газу (133 Па).
При роботі CO 2 - лазера відбувається розпад молекул CO 2 на СВ і О, завдяки чому активне середовище послаблюється. Далі СО розпадається на С і О, а вуглець осідає на електродах і стінках трубки. Все це погіршує роботу СO 2-лазера. Щоб подолати шкідливу дію цих факторів у закриту систему додають пари води, які стимулюють реакцію
СО + О ® CO 2.
Використовуються платинові електроди, матеріал яких є каталізатором для цієї реакції. Для збільшення запасу активного середовища резонатор з'єднується з додатковими ємностями, які містять CO 2, N 2, Не, які в необхідній кількості додаються в об'єм резонатора для підтримки оптимальних умов роботи лазера. Такий закритий CO 2-лазер, в змозі працювати протягом багатьох тисяч годин.
Проточний СО 2-лазер. Важливою модифікацією є проточний СО 2-лазер, в якому суміш газів CO 2, N 2, Не безперервно прокачується через резонатор. Такий лазер може генерувати безперервне когерентне випромінювання потужністю понад 50 Вт на метр довжини своєю активною середовища.
Неодимовий лазер. Назва може ввести в оману. Тілом лазера є не метал неодим, а звичайне скло з домішкою неодиму. Іони атомів неодиму безладно розподілені серед атомів кремнію та кисню. Накачування виробляються лампами-блискавками. Лампи дають випромінювання в межах довжин хвиль від 0,5 до 0,9 мкм. Виникає широка смуга збуджених станів. Атоми здійснюють безвипромінювальної переходи на верхній лазерний рівень. Кожен перехід дає різну енергію, яка перетворюється в коливальну енергію всього «грат» атомів.
Лазерне випромінювання, тобто перехід на порожній нижній рівень, має довжину хвилі 1,06 мкм.
Т-лазер. У багатьох практичних додатках важливу роль відіграє СO 2-лазер, в якому робоча суміш знаходиться під атмосферним тиском і збуджується поперечним електричним полем (Т-лазер). Оскільки електроди розташовані паралельно осі резонатора, для отримання більших значень напруженості електричного поля в резонаторі потрібні порівняно невеликі різниці потенціалів між електродами, що дає можливість працювати в імпульсному режимі при атмосферному тиску, коли концентрація CO 2 в резонаторі велика. Отже, вдається отримати велику потужність, що досягає зазвичай 10 МВт і більше в одному імпульсі випромінювання тривалістю менше 1 мкс. Частота повторення імпульсів у таких лазерах становить зазвичай кілька імпульсів в хвилину.
Газодинамічні лазери. Нагріта до високої температури (1000-2000 К) суміш CO 2 і N 2 при закінченні з великою швидкістю через розширюється сопло сильно охолоджується. Верхній і нижній енергетичний рiвнi при цьому термоізолююча з різною швидкістю, в результаті чого утворюється інверсна заселеність. Отже, утворивши на виході з сопла оптичний резонатор, можна за рахунок цієї інверсної заселеності генерувати лазерне випромінювання. Діючі на цьому принципі лазери називаються газодинамічними. Вони дозволяють отримувати дуже великі потужності випромінювання в безперервному режимі.
Лазери на барвниках. Барвники є дуже складними молекулами, у яких сильно виражені коливальні рівні енергії. Енергетичні рівні в смузі спектра розташовуються майже безперервно. Внаслідок внутрішньомолекулярного взаємодії молекула дуже швидко (за часи порядку 10 -11 -10 -12 с) переходить безвипромінювальної на нижній енергетичний рівень кожної смуги. Тому після порушення молекул через дуже короткий проміжок часу на нижньому рівні смуги Е 1 зосередяться всі збуджені молекули. Вони далі мають можливість зробити випромінювальний перехід на будь-який з енергетичних рівнів нижньої смуги. Таким чином, можливо випромінювання практично будь-якої частоти в інтервалі, відповідному ширині нульової смуги. А це означає, що якщо молекули барвника взяти в якості активної речовини для генерації лазерного випромінювання, то в залежності від налаштування резонатора можна отримати практично безперервну перебудову частоти генерованого лазерного випромінювання. Тому на барвниках створюються лазери з перебудовуваною частотою генерації. Накачування лазерів на барвниках проводиться газорозрядними лампами або випромінюванням інших лазерів.
Виділення частот генерації досягається тим, що поріг генерації створюється тільки для вузької області частот. Наприклад, положення призми і дзеркала підбираються так, що в середу після відбиття від дзеркала завдяки дисперсії і різних кутах заломлення повертаються лише промені з певною довжиною хвилі. Тільки для таких довжин хвиль забезпечується лазерна генерація. Обертаючи призму, можна забезпечити безперервну перебудову частоти випромінювання лазера на барвниках. Генерація здійснена з багатьма фарбниками, що дозволило отримати лазерне випромінювання не тільки в усьому оптичному діапазоні, а й на значній частині інфрачервоної та ультрафіолетової частини спектру.
Напівпровідникові лазери. Основним прикладом роботи напівпровідникових лазерів є магнітно-оптичний накопичувач (МО).
Принципи роботи МО накопичувача.
МО накопичувач побудований на поєднанні магнітного і оптичного принципу зберігання інформації. Записування інформації виробляється з допомогою променя лазера і магнітного поля, а зчитування за допомогою одного тільки лазера.
У процесі запису на МО диск лазерний промінь нагріває певні точки на диски, і під впливом температури опірність зміни полярності, для нагрітої точки, різко падає, що дозволяє магнітному полю змінити полярність точки. Після закінчення нагрівання опірність знову збільшується. Полярність нагрітої точки залишається відповідно з магнітним полем, застосованим до неї в момент нагрівання.
У наявних на сьогоднішній день МО накопичувачах для записи інформації застосовуються два цикли: цикл стирання і цикл запису. У процесі стирання магнітне поле має однакову полярність, відповідну двійковим нулях. Лазерний промінь нагріває послідовно весь стирається ділянку і таким чином записує на диск послідовність нулів. У циклі запису полярність магнітного поля змінюється на протилежну, що відповідає двійкової одиниці. У цьому циклі лазерний промінь включається тільки на тих ділянках, які повинні містити виконавчі одиниці, залишаючи ділянки з двійковими нулями без змін.
У процесі читання з МО диска використовується ефект Керра, що полягає у зміні площині поляризації відбитого лазерного променя, в залежності від напрямку магнітного поля відбиває елемента. Відбиваючим елементом у даному випадку є намагнічена під час запису точка на поверхні диска, відповідна одному біту інформації, що зберігається. При зчитуванні використовується лазерний промінь невеличкий інтенсивності, що не приводить до нагрівання зчитуваного ділянки, таким чином при зчитуванні збережена інформація не руйнується.
Такий спосіб на відміну від звичайного застосовуваного в оптичних дисках не деформує поверхню диска і дозволяє повторну запис без додаткового обладнання. Цей спосіб також має перевагу перед традиційною магнітної записом у плані надійності. Так як перемагнічеванііе ділянок диска можливо тільки під дією високої температури, то ймовірність випадкового перемагнічеванія дуже низька, на відміну від традиційної магнітного запису, до втрати якої можуть призвести випадкові магнітні поля.
Область застосування МО дисків визначається його високими характеристиками за надійністю, обсягу і змінюваності. МО диск необхідний для задач, що вимагають великого дискового об'єму. Це такі задачі, як обробка зображень звуку. Однак невелика швидкість доступу до даних, не дає можливості застосовувати МО диски для завдань із критичною реактивністю систем. Тому застосування МО дисків в завданнях зводиться до зберігання на них тимчасової або резервної інформації. Для МО дисків дуже вигідним використанням є резервне копіювання жорстких дисків або баз даних. На відміну від традиційно застосовуваних для цих цілей стримерів, при зберігання резервної інформації на МО дисках, істотно збільшується швидкість відновлення даних після збою. Це пояснюється тим, що МО диски є пристроями з довільним доступом, що дозволяє відновлювати тільки ті дані, в яких виявився збій. Крім цього при такому способі відновлення немає необхідності повністю зупиняти систему до повного відновлення даних. Ці гідності у поєднанні з високою надійністю зберігання інформації роблять застосування МО дисків при резервному копіюванні вигідним, хоча й більш дорогим у порівнянні зі стримерами.
Застосування МО дисків, також доцільно при роботі з приватною інформацією великих обсягів. Легка змінюваність дисків дозволяє використовувати їх тільки під час роботи, не піклуючись про охорону комп'ютера в неробочий час, дані можуть зберігатися в окремому, місці, що охороняється. Це ж властивість робить МО диски незамінними в ситуації, коли необхідно перевозити великі обсяги з місця на місце, наприклад з роботи додому і навпаки.
Основні перспективи розвитку МО дисків пов'язані насамперед із збільшенням швидкості запису даних. Повільна швидкість визначається в першу чергу двопрохідний алгоритмом запису. У цьому алгоритмі нулі та одиниці пишуться за різні проходи через те, що магнітне поле, що задають напрямок поляризації конкретних точок на диску, не може змінювати свій напрямок досить швидко.
Найбільш реальна альтернатива двопрохідний запису - це технологія, заснована на зміну фазового стану. Така система вже реалізована деякими фірмами-виробниками. Існують ще кілька розробок у цьому напрямку, пов'язані з полімерними барвниками і модуляціями магнітного поля і потужності випромінювання лазера.
Технологія, заснована на зміні фазового стану, заснована на здатності речовини переходити з кристалічного стану в аморфне. Досить висвітлити деяку точку на поверхні диска променем лазера певної потужності, як речовина в цій точці перейде в аморфний стан. При цьому змінюється відображає здатність диска в цій точці. Запис інформації відбувається значно швидше, але при цьому деформується поверхню диска, що обмежує число циклів перезапису.
У теперішній час вже розробляється технологія, що дозволяє змінювати полярність магнітного поля на протилежну всього за кілька наносекунд. Це дозволить змінювати магнітне поле синхронно з надходженням даних на запис. Існує також технологія, побудована на модуляції випромінювання лазера. У цій технології дисковод працює в трьох режимах: режим читання з низькою інтенсивністю, режим запису з середньою інтенсивністю і режим запису з високою інтенсивністю. Модуляція інтенсивності лазерного променя вимагає більш складної структури диска і доповнення механізму дисковода ініціюючих магнітом, встановленим перед магнітом зсуву і мають протилежну полярності. У самому простому випадку диск має дві робочі шару - ініціалізація і записує. Ініціалізував шар зроблений з такого матеріалу, що ініціалізація магніт може змінювати його полярність без додаткового впливу лазера.
Безумовно МО диски перспективні і бурхливо розвиваються пристрої, які можуть вирішувати назріваючі проблеми з великими обсягами інформації. Але їх подальший розвиток залежить не тільки від технології запису на них, але і від прогресу в області інших носіїв інформації. І якщо не буде винайдено більш ефективний спосіб зберігання інформації, МО диски можливо займуть домінуючі ролі.

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. Відновлена ​​з допомогою такого запису хвиля повністю ідентична початкової і 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.
Початкове 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 хвилями виникає різниця порівняно 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.
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.

КОРОТКИЙ ІСТОРИЧНИЙ ОГЛЯД .


Перші розрахунки, що стосуються можливості створення лазерів, і перші патенти ставилися переважно до газових лазерів, так як схеми енергетичних рівнів та умови збудження в цьому випадку більш зрозумілі, ніж для речовин у твердому стані. Проте першим був відкритий рубіновий лазер, хоча незабаром був створений і газовий лазер. В кінці 1960 Джаван, Беннет і Херріотт створили гелій-неоновий лазер, що працює в інфрачервоній області на ряді ліній в районі 1 мк. У наступні два роки гелій-неоновий лазер був вдосконалений, а також були відкриті інші газові лазери, що працюють в інфрачервоній області, включаючи лазери з використанням інших благородних газів і атомарного кисню. Однак найбільший інтерес до газових лазерів був викликаний відкриттям генерації гелій-неонового лазера на червоній лінії 6328 А за умов, лише незначно відрізнялися від умов, при яких була отримана генерація в першому газовому лазері. Отримання генерації у видимій області спектра стимулювало інтерес не тільки до пошуків додатковим переходів такого типу, але і до лазерним застосуванням, тому що при цьому було відкрито багато нові й несподівані явища, а лазерний промінь отримав нові застосування в якості лабораторного інструменту. Два роки, що сталися за відкриттям генерації на лінії 6328 А, були насичені великою кількістю технічних удосконалень, спрямованих головним чином на досягнення більшої потужності і більшої компактності цього типу лазера. Тим часом тривали пошуки нових довжин хвиль і було відкрито багато інфрачервоні і кілька нових переходів у видимій області спектра. Найбільш важливим з них є відкриття Матіасом імпульсних лазерних переходів у молекулярному азоті і в окису вуглецю.
Наступним найбільш важливим етапом у розвитку лазерів було відкриття Беллом в кінці 1963 р. лазера, що працює на іонах ртуті. Хоча лазер на іонах ртуті сам по собі не виправдав надій первинних на отримання великих потужностей у безперервному режимі в червоній і зеленій областях спектру, це відкриття вказало нові режими розряду, при яких можуть бути виявлені лазерні переходи у видимій області спектра. Пошуки таких переходів були проведені також серед інших іонів. Незабаром було виявлено, що іони аргону являють собою найкращий джерело лазерних переходів з великою потужністю у видимій області і що на них може бути отримана генерація в безперервному режимі. У результаті подальших удосконалень аргонового лазера в безперервному режимі було отримано найбільш висока потужність, яка тільки можлива у видимій області. У результаті пошуків було відкрито генерація на 200 іонних переходах, зосереджених головним чином у видимій, а також в ультрафіолетовій частинах спектра.
Тим часом технічні удосконалення лазерів швидко розширювалися, в результаті чого зникло багато "чаклунські" хитрощі перших конструкцій гелій-неонових і інших газових лазерів. Дослідження таких лазерів, розпочаті Беннетом, продовжувалися до тих пір, поки не був створений гелій-неоновий лазер, який можна встановити на звичайний стіл з повною впевненістю в тому, що лазер буде функціонувати так, як це очікувалося при його створенні. Аргоновий іонний лазер не досліджений настільки ж добре, проте велика кількість оригінальних робіт Гордона Бріджеса дозволяє передбачити в розумних межах можливі параметри такого лазера.
Протягом останнього року з'явився ряд цікавих робіт, присвячених газовим лазерам, проте ще занадто рано визначати їх відносну цінність. На загальний подив найбільш важливим досягненням було відкриття Пейтел генерації вимушеного випромінювання в СО 2 на смузі 1,6 мк з високим ККД вихідна потужність у цих лазерах може бути доведена до сотень ват, що обіцяє відкрити цілу нову галузь лазерних застосувань.

ВИСНОВОК .


Лазери рішуче і притому широким фронтом вторгаються в нашу дійсність. Вони надзвичайно розширили наші можливості у різних галузях - обробці металів, медицині, вимірюванні, контролі, фізичних, хімічних і біологічних дослідженнях. Вже сьогодні лазерний промінь опанував безліччю корисних і цікавих професій. У багатьох випадках використання лазерного променя дозволяє отримати унікальні результати. Можна не сумніватися, що в майбутньому промінь лазера подарує нам нові можливості, що представляються сьогодні фантастичними.
Ми вже почали звикати, що "лазер все може". Часом це заважає тверезо оцінити реальні можливості лазерної техніки на сучасному етапі її розвитку. Не дивно, що надмірні захоплення з приводу можливостей лазера іноді змінюються деяким охолодженням до нього. Все це, однак, не може замаскувати основний факт - з винаходом лазера людство отримало в своє розпорядження якісно новий, у високому ступені універсальний, дуже ефективний інструмент для повсякденної, виробничої та наукової діяльності. З роками цей інструмент буде все більше вдосконалюватися, а разом з цим буде безперервно розширюватися і область застосування лазерів.

ЛІТЕРАТУРА .


1. Кабардин О. Ф. "Фізика" М.: Просвещение, 1988.
2. "Газові лазери" (под. ред. Н. Н. Соболєва) М.: Світ, 1968.
3. Айден К. Апаратні засоби PC: переклад з нім. - Санкт-Петербург: BHV - СПб, 1996.
4. Китайгородський А. І. Фізика для всіх: Фотони і ядра. - М.: Наука, 1982.
5. Ландсберг Г. С. Оптика. - М.: Наука, 1976.
6. Ландсберг Г. С. Елементарний підручник фізики. - М.: Наука, 1986.
7. Матвєєв А. Н. Оптика. - М.: Вища школа, 1985 ..
8. Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б. Фізика. - М.: Просвещение, 1998.
9. Сивухин В. А. Загальний курс фізики. Оптика. - М.: Наука, 1980.
10. Тарасов Л. В. Лазери. Дійсність і надії. - М.: Наука, 1985.

ЗМІСТ .


TOC \ o "1-1" ВСТУП ......................................... .................................................. .................................................. ................. PAGEREF _Toc57136769 \ h 2
ЛАЗЕРНА ТЕХНОЛОГІЯ ................................................ .................................................. .............................. PAGEREF _Toc57136770 \ h 4
ПРИНЦИП ДІЇ ЛАЗЕРІВ ............................................... .................................................. ................... PAGEREF _Toc57136771 \ h 5
ОСНОВНІ ВЛАСТИВОСТІ лазерного променя .............................................. .............................................. PAGEREF _Toc57136772 \ h 6
МОНОХРОМОТІЧНОСТЬ ЛАЗЕРНОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ. ЙОГО ПОТУЖНІСТЬ ....................................... PAGEREF _Toc57136773 \ h 7
Гиганські ІМПУЛЬС ................................................ .................................................. .................................. PAGEREF _Toc57136774 \ h 9
ЗАСТОСУВАННЯ ЛАЗЕРІВ ................................................ .................................................. ................................. PAGEREF _Toc57136775 \ h 9
Застосування лазерного променя У ПРОМИСЛОВОСТІ І ТЕХНІКИ ................................... PAGEREF _Toc57136776 \ h 10
ЗАСТОСУВАННЯ ЛАЗЕРІВ У МЕДИЦИНІ .............................................. .................................................. ... PAGEREF _Toc57136777 \ h 12
ХАРАКТЕРИСТИКИ ДЕЯКИХ ТИПІВ ЛАЗЕРІВ .............................................. ............................. PAGEREF _Toc57136778 \ h 13
ГОЛОГРАФІЯ ................................................. .................................................. .................................................. . PAGEREF _Toc57136779 \ h 20
КОРОТКИЙ ІСТОРИЧНИЙ ОГЛЯД ............................................... .................................................. ............ PAGEREF _Toc57136780 \ h 22
ВИСНОВОК ................................................. .................................................. .....................................
Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Виробництво і технології | Реферат
130кб. | скачати


Схожі роботи:
Революція в оптиці лазери та їх застосування 2
Лазери і їх застосування
Лазери і їх застосування 2
Лазери 2
Лазери
Лазери на вільних електронах
Перша російська революція 1905 1907 років і лютнева революція 1917 року
Перша російська революція 1905-1907 років і лютнева революція 1917 року загальні риси і особливості
Англійська революція - перша революція нового часу
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru