Лазери,
їх застосування
Слово "лазер" є абревіатури англійської фрази "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation", що переводиться як посилення світла в результаті вимушеного (індукованого) випромінювання. Гіпотеза про існування індукованого випромінювання була висловлена в 1917 р. А Ейнштейном. Радянські вчені Н.Г. Басов і А.М. Прохоров і незалежно від них американський фізик Ч. Таунс використовували явище індукованого випромінювання для створення мікрохвильового генератора радіохвиль з довгої хвилі l = 1,27 см.
Щоб створити лазер або оптичний квантовий генератор - джерело когерентного світла необхідно:
1) робоча речовина з інверсною населеністю. Тільки тоді можна отримати посилення світла за рахунок вимушених переходів.
2) робоче речовину слід помістити між дзеркалами, які здійснюють зворотний зв'язок.
3) посилення, що дається робочою речовиною, а значить, число збуджених атомів або молекул в робочому речовині повинне бути більше порогового значення, що залежить від коефіцієнта відбиття напівпрозорого дзеркала.
Першим квантовим генератором був рубіновий твердотільний лазер. Також були створені: газові, напівпровідникові, рідинні, газодинамічні, кільцеві (біжучої хвилі).
Лазери знайшли широке застосування в науці - основний інструмент в нелінійній оптиці, коли речовини прозорі чи ні для потоку звичайного світла змінюють свої властивості на протилежні.
Лазери дозволили здійснити новий метод одержання об'ємних і кольорових зображень, названий голографією.
Лазери широко застосовуються в медицині, особливо в офтальмології, хірургії та онкології, здатні створити мале пляма, завдяки високій монохроматичности і спрямованості. В офтальмології лазерне випромінювання з енергією 0,2 - 0,3 дж дозволяє здійснювати ряд складних операцій, не порушуючи цілісності самого ока. Однією з таких операцій є приварювання і зміцнення відшарувалася сітківки за допомогою коагуляційних спайок. Крім того, лазерний промінь застосовується для випалювання злоякісних і доброякісних пухлин. У хірургії сфокусований світловий промінь безперервного лазера (потужністю до 100 Вт) слугує надзвичайно гострим і стерильним скальпелем, що здійснюють безкровні операції навіть на печінці і селезінці. Значні перспективи має використання безперервних і імпульсних лазерів для припікання ран і зупинки кровотеч у хворих з зниженим згортанням крові.
Лазерна обробка металів. Можливість отримувати за допомогою лазерів світлові пучки високої потужності до 12 жовтень -10 16 Вт / см 2 при фокусування випромінювання в пляму діаметром до 10-100 мкм робить лазер потужним засобом обробки оптично непрозорих матеріалів, недоступних для обробки звичайними методами (газова і дугове зварювання) . Це дозволяє здійснювати нові технологічні операції, наприклад, просвердлення дуже вузьких каналів в тугоплавких матеріалах, різні операції при виготовленні плівкових мікросхем, а також збільшення швидкості обробки деталей. При пробитті отворів в алмазних колах скорочує час обробки одного кола з 2-3 днів до 2 хв. Найбільш широко застосовується лазер у мікроелектроніці, де краща зварювання з'єднань, а не пайка. Основні переваги: відсутність механічного контакту, можливість обробки важкодоступних деталей, можливість створення вузьких каналів, спрямованих під кутом до оброблюваної поверхні.
Лазерний зв'язок і локація. У порівнянні з існуючими засобами радіозв'язку та радіолокації лазерні володіють двома основними перевагами: вузькою спрямованістю передачі та широкою смугою пропускання переданих частот. Сам лазер створює спрямований промінь (розбіжність ~ 10 '), а прмененіе оптичної системи дозволяє сформувати ще більш рівнобіжний промінь (розбіжність ~ 2-3''). Один лазерний промінь дозволяє передавати сигнал у смузі частот ~ 100 МГц. Це дає можливість одночасної передачі 200 телевізійних каналів.
Перші відомості про застосування лазерної локації відносяться до 1962 р., коли була здійснена локація Місяця. Збільшення потужності, випромінюваної лазером, зробить можливим картографування поверхні Місяця з Землі з високою точністю (близько 1,5 м). Лазерна локація застосовується також у геофізиці для визначення висоти хмар, дослідженні інверсійних і аерозольних шарів в атмосфері, турбулентності і т.п.
Лазерні системи навігації та забезпечення безпеки польотів. Одним з основних елементів інерціальних систем навігації, широко використовуються в авіації, є гіроскопи, які в основному і визначають точність системи. Лазерні гіроскопи мають досить високою точністю, великим діапазоном вимірювання кутових швидкостей, малим власним дрейфом, несприйнятливістю до лінійних перевантажень. Лазери успішно застосовуються як вимірювачі швидкості польоту (повітряної і шляховий), висотоміри. Лазерні курсо-глісадні системи забезпечують безпеку польотів, пов'язану зі збільшенням точності систем посадки, зниження обмежень за метеоумовами, забезпеченням великих зручностей роботи екіпажу при виконанні такого відповідального ділянки польоту, як посадка. У близи злітно-посадочного полотна встановлені лазерні промені створюють геометричну картину, що дозволяє судити про правильність витримування траєкторії посадки.
Лазерні системи управління зброєю різко підвищили точність влучення. Лазерна напівактивна система наведення складається з лазерного цілевказівника (лазерної системи підсвітки цілі) і боєприпасу з лазерною головкою самонаведення.
їх застосування
Слово "лазер" є абревіатури англійської фрази "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation", що переводиться як посилення світла в результаті вимушеного (індукованого) випромінювання. Гіпотеза про існування індукованого випромінювання була висловлена в 1917 р. А Ейнштейном. Радянські вчені Н.Г. Басов і А.М. Прохоров і незалежно від них американський фізик Ч. Таунс використовували явище індукованого випромінювання для створення мікрохвильового генератора радіохвиль з довгої хвилі l = 1,27 см.
Щоб створити лазер або оптичний квантовий генератор - джерело когерентного світла необхідно:
1) робоча речовина з інверсною населеністю. Тільки тоді можна отримати посилення світла за рахунок вимушених переходів.
2) робоче речовину слід помістити між дзеркалами, які здійснюють зворотний зв'язок.
3) посилення, що дається робочою речовиною, а значить, число збуджених атомів або молекул в робочому речовині повинне бути більше порогового значення, що залежить від коефіцієнта відбиття напівпрозорого дзеркала.
Першим квантовим генератором був рубіновий твердотільний лазер. Також були створені: газові, напівпровідникові, рідинні, газодинамічні, кільцеві (біжучої хвилі).
Лазери знайшли широке застосування в науці - основний інструмент в нелінійній оптиці, коли речовини прозорі чи ні для потоку звичайного світла змінюють свої властивості на протилежні.
Лазери дозволили здійснити новий метод одержання об'ємних і кольорових зображень, названий голографією.
Лазери широко застосовуються в медицині, особливо в офтальмології, хірургії та онкології, здатні створити мале пляма, завдяки високій монохроматичности і спрямованості. В офтальмології лазерне випромінювання з енергією 0,2 - 0,3 дж дозволяє здійснювати ряд складних операцій, не порушуючи цілісності самого ока. Однією з таких операцій є приварювання і зміцнення відшарувалася сітківки за допомогою коагуляційних спайок. Крім того, лазерний промінь застосовується для випалювання злоякісних і доброякісних пухлин. У хірургії сфокусований світловий промінь безперервного лазера (потужністю до 100 Вт) слугує надзвичайно гострим і стерильним скальпелем, що здійснюють безкровні операції навіть на печінці і селезінці. Значні перспективи має використання безперервних і імпульсних лазерів для припікання ран і зупинки кровотеч у хворих з зниженим згортанням крові.
Лазерна обробка металів. Можливість отримувати за допомогою лазерів світлові пучки високої потужності до 12 жовтень -10 16 Вт / см 2 при фокусування випромінювання в пляму діаметром до 10-100 мкм робить лазер потужним засобом обробки оптично непрозорих матеріалів, недоступних для обробки звичайними методами (газова і дугове зварювання) . Це дозволяє здійснювати нові технологічні операції, наприклад, просвердлення дуже вузьких каналів в тугоплавких матеріалах, різні операції при виготовленні плівкових мікросхем, а також збільшення швидкості обробки деталей. При пробитті отворів в алмазних колах скорочує час обробки одного кола з 2-3 днів до 2 хв. Найбільш широко застосовується лазер у мікроелектроніці, де краща зварювання з'єднань, а не пайка. Основні переваги: відсутність механічного контакту, можливість обробки важкодоступних деталей, можливість створення вузьких каналів, спрямованих під кутом до оброблюваної поверхні.
Лазерний зв'язок і локація. У порівнянні з існуючими засобами радіозв'язку та радіолокації лазерні володіють двома основними перевагами: вузькою спрямованістю передачі та широкою смугою пропускання переданих частот. Сам лазер створює спрямований промінь (розбіжність ~ 10 '), а прмененіе оптичної системи дозволяє сформувати ще більш рівнобіжний промінь (розбіжність ~ 2-3''). Один лазерний промінь дозволяє передавати сигнал у смузі частот ~ 100 МГц. Це дає можливість одночасної передачі 200 телевізійних каналів.
Перші відомості про застосування лазерної локації відносяться до 1962 р., коли була здійснена локація Місяця. Збільшення потужності, випромінюваної лазером, зробить можливим картографування поверхні Місяця з Землі з високою точністю (близько 1,5 м). Лазерна локація застосовується також у геофізиці для визначення висоти хмар, дослідженні інверсійних і аерозольних шарів в атмосфері, турбулентності і т.п.
Лазерні системи навігації та забезпечення безпеки польотів. Одним з основних елементів інерціальних систем навігації, широко використовуються в авіації, є гіроскопи, які в основному і визначають точність системи. Лазерні гіроскопи мають досить високою точністю, великим діапазоном вимірювання кутових швидкостей, малим власним дрейфом, несприйнятливістю до лінійних перевантажень. Лазери успішно застосовуються як вимірювачі швидкості польоту (повітряної і шляховий), висотоміри. Лазерні курсо-глісадні системи забезпечують безпеку польотів, пов'язану зі збільшенням точності систем посадки, зниження обмежень за метеоумовами, забезпеченням великих зручностей роботи екіпажу при виконанні такого відповідального ділянки польоту, як посадка. У близи злітно-посадочного полотна встановлені лазерні промені створюють геометричну картину, що дозволяє судити про правильність витримування траєкторії посадки.
Лазерні системи управління зброєю різко підвищили точність влучення. Лазерна напівактивна система наведення складається з лазерного цілевказівника (лазерної системи підсвітки цілі) і боєприпасу з лазерною головкою самонаведення.