Принцип работы лазера и его применение
Министерство образования Республики Беларусь МГУ имени А. Кулешова
КАФЕДРА
ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ
Р Е Ф Е Р А Т
на тему:
«Принцип
работы лазера и его применение»
Выполнила:
Студентка 3 «А» курса
Реуцкая Ю.А
МОГИЛЕВ
2011
ПЛАН:
1. Особенности лазерного излучения.
2. Лазерная технология.
3. Газовые лазеры.
4. Краткий исторический обзор.
5. Полупроводниковые лазеры:
а) принцип работы МО накопителя
б) область применения МО накопителя
в) перспективы развития
6. Применение лазеров в военной технике (лазерная локация)
а) наземная локация
б)
голографические
индикаторы на лобовом
стекле
1.
Особенности лазерного
излучения
Одним из самых замечательных достижений физики второй половины двадцатого века было открытие физических явлений, послуживших основой для создания удивительного прибора -оптического квантового генератора, или лазера.
Лазер
представляет собой источник монохроматического
когерентного света с высокой
направленностью светового
Действительно, основной физический процесс, определяющий действие лазера, - это вынужденное испускание излучения. Оно происходит при взаимодействии фотона с возбужденным атомом при точном совпадении энергии фотона с энергией возбуждения атома (или молекулы)
В результате этого
Итак, кроме вынужденного
испускания фотонов возбужденными
атомами происходят также
процесс самопроизвольного,
Если число возбужденных
На
возможность усиления света
в среде с инверсной
В.А.Фабрикант,
предложивший создавать инверсную
населенность в электрическом разряде
в газе.
При
одновременном рождении ( принципиально
это возможно) большого числа
спонтанно испущенных фотонов возникнет
большое число лавин, каждая
из которых будет распространяться
в своем направлении, заданном
первоначальным фотоном соответствующей
лавины. В результате мы получим
потоки квантов света ,но
не сможем получить ни
направленного луча, ни высокой
монохроматичности, так как
каждая лавина инициировалась собственным
первоначальным фотоном. Для
того чтобы среду с инверсной населенностью
можно было использовать
для генерации лазерного луча, т. е.
направленного луча с высокой монохроматичностью,
необходимо “снимать” инверсную
населенность с помощью первичных
фотонов, уже обладающих одной и
той же энергией ,совпадающей
с энергией данного перехода
в атоме. В этом случае мы
будем иметь лазерный усилитель света.
Существует, однако, и
другой вариант получения
лазерного луча, связанный
с использованием системы
обратной связи. Спонтанно родившиеся
фотоны, направление распространения
которых не перпендикулярно
плоскости зеркал, создадут лавины
фотонов, выходящие за пределы среды.
В то же время фотоны, направление
распространения которых перпендикулярно
плоскости зеркал, создадут лавины,
многократно усиливающиеся в среде
вследствие многократного отражения от
зеркал. Если одно из зеркал будет
обладать небольшим пропусканием, то через
него будет выходить направленный
поток фотонов перпендикулярно
плоскости зеркал. При правильно
подобранном пропускании зеркал, точной
их настройке относительно друг
друга и относительно продольной
оси среды с инверсной населенностью
обратная связь может оказаться
настолько эффективной, что излучением
“вбок” можно будет полностью
пренебречь по сравнению с излучением,
выходящим через зеркала.
На практике это, действительно,
удается сделать. Такую схему
обратной связи называют оптическим
резонатором, и именно этот тип
резонатора используют в большинстве
существующих лазеров.
В 1955 г. одновременно и независимо
Н.Г. Басовым и А. М. Прохоровым в
СССР и Ч. Таунсом в США был
предложен принцип создания первого
в мире генератора квантов электромагнитного
излучения на среде с
инверсной населенностью,
в котором вынужденное
испускание в результате использования
обратной связи приводило к генерации
чрезвычайно монохроматического излучения.
Спустя несколько лет, в 1960
г., американским физиком Т.
Мейманом был запущен первый
квантовый генератор
Торцы рубинового стержня
полируют, покрывают отражающими
интерференционными пленками,
выдерживая при этом строгую
параллельность торцов друг другу.
При возникновении инверсии населенностей уровней ионов хрома в рубине происходит лавинное нарастание числа вынужденно испущеных фотонов,и обратной связи на оптическом резонаторе, образованном зеркалами на торцах рубинового стержня, обеспечивает формирование узконаправленного луча красного света. Длительность лазерного импульса==0.0001 с, немного короче длительности вспышки ксеноновой лампы. Энергия импульса рубинового лазера около 1ДЖ.
С помощью механической
В этом режиме модулированной
добротности резонатора
Рассмотрим некоторые
При спонтанном излучении атом
излучает спектральную линию
конечной ширины. При лавинообразном
нарастании числа вынужденно
испущенных фотонов в среде
с инверсной населенностью
Кроме сужения линии
излучения в лазере удается
получить расходимость луча менее 0,00001
радиана, т. е. на уровне угловых секунд.
Известно, что направленный
узкий луч света можно
получить в принципе от любого
источника, поставив на пути светового
потока ряд экранов с маленькими отверстиями,
расположенными на одной прямой.
Представим себе, что мы взяли нагретое
черное тело и с помощью диафрагм
получили луч света, из которого посредством
призмы или другого спектрального
прибора выделили луч с шириной
спектра, соответствующей ширине
спектра лазерного излучения. Зная
мощность лазерного излучения, ширину
его спектра и угловую расходимость
луча, можно с помощью
формулы Планка вычислить температуру
воображаемого черного тела, использованного
в качестве источника светового луча,
эквивалентного лазерному лучу. Этот расчет
приведет нас к фантастической цифре:
температура черного тела
должна быть порядка десятков миллионов
градусов! Удивительное свойство лазерного
луча - его высокая эффективная
температура (даже при относительно
малой средней мощности лазерного
излучения или малой энергии
лазерного импульса) открывает
перед исследователями большие возможности,
абсолютно неосуществимые без
использования лазера.
Лазеры
различаются: способом создания
в среде инверсной населенности,
или, иначе говоря, способом накачки
(оптическая накачка, возбуждение
электронным ударом, химическая накачка
и т. п.); рабочей средой (газы,
жидкости, стекла, кристаллы, полупроводники
и т.д.); конструкцией резонатора;
режимом работы (импульсный,
непрерывный). Эти различия определяются
многообразием требований к характеристикам
лазера в связи с его практическими применениями.
2.
Лазерная технология
Лазеры нашли широкое
Лазерные технологические процессы
можно условно разделить на
два вида. Первый из них
использует возможность
В последние годы в
одной из важнейших областей
микроэлектроники -
фотолитографии, без применения
которой практически
Дальнейший прогресс в субмикронной литографии связан с применением в качестве экспонирующего источника света мягкого рентгеновского излучения из плазмы, создаваемой лазерным лучом. В этом случае предел разрешения, определяемый длиной волны рентгеновского излучения (1= 0,01 - О,001 мкм), оказывается просто фантастическим.
Второй вид лазерной технологии основан на применении лазеров с большой средней мощностью: от 1кВт и выше. Мощные лазеры используют в таких энергоемких технологических процессах, как резка и сварка толстых стальных листов, поверхностная закалка, наплавление и легирование крупногабаритных деталей, очистка зданий от поверхностей загрязнений, резка мрамора, гранита, раскрой тканей, кожи и других материалов. При лазерной сварке металлов достигается высокое качество шва и не требуется применение вакуумных камер, как при электроннолучевой сварке, а это очень важно в конвейерном производстве.
Мощная лазерная технология
3.
Газовые лазеры
Газовые лазеры представляют
собой, пожалуй, наиболее широко
используемый в настоящее время тип лазеров
и, возможно, в этом отношении они превосходят
даже рубиновые лазеры. Газовым лазерам
также, по-видимому, посвящена большая
часть выполненных исследований. Среди
различных типов газовых лазеров
всегда можно найти такой, который
будет удовлетворять почти любому
требованию, предъявляемому
к лазеру, за исключением очень
большой мощности в видимой
области спектра в импульсном
режиме. Большие мощности
необходимы для многих экспериментов
при изучении нелинейных
оптических свойств материалов.
В настоящее время большие мощности
в газовых лазерах не получены по
той простой причине, что плотность
атомов в них недостаточно велика.
Однако почти для всех других целей
можно найти конкретный тип газового
лазера, который будет превосходить
как твердотельные лазеры с оптической
накачкой, так и полупроводниковые
лазеры. Много усилий было направлено
на то, чтобы эти лазеры могли конкурировать
с газовыми лазерами, и в ряде случаев
был достигнут определенный успех,
однако он всегда оказывался на
грани возможностей, в то время
как газовые лазеры не обнаруживают
никаких признаков уменьшения популярности.
Особенности газовых лазеров
большей часто обусловлены
тем, что они, как правило,
являются источниками атомных
или молекулярных спектров.
Поэтому длины волн переходов
точно известны они
определяются атомной структурой
и обычно не зависят
от условий окружающей среды. Стабильность
длины волны генерации при
определенных усилиях может быть
значительно улучшена по сравнению
со стабильностью спонтанного
излучения. В настоящее время
имеются лазеры с монохроматичностыо,
лучшей, чем в любом другом
приборе. При соответствующем
выборе активной среды может
быть осуществлена генерация в
любой части спектра, от ультрафиолетовой
(~2ООО А) до далекой инфракрасной
области (~ 0,4 мм), частично захватывая
микроволновую область. Нет также
оснований сомневаться, что в будущем
удастся создать лазеры для
вакуумной ультрафиолетовой области
спектра. Разреженность рабочего газа
обеспечивает оптическую однородность
среды с низким коэффициентом
преломления, что позволяет
применять простую математическую
теорию для описания
структуры мод резонатора и дает уверенность
в том, что свойства выходного
сигнала близки к теоретическим.
Хотя к. п. д. превращения электрической
энергии в энергию вынужденного излучения
в газовом лазере не может быть
таким большим, как в полупроводниковом
лазере, однако благодаря простоте
управления разрядом газовый лазер
оказывается для большинства целей наиболее
удобным в работе как один из
лабораторных приборов.
Что касается большой мощности
в непрерывном ре жиме (в
противоположность импульсной
мощности), то природа газовых
лазеров позволяет им в этом отношении
превзойти все другие типы лазеров.
4. Краткий исторический обзор
Первые расчеты, касающиеся
Следующим наиболее важным этапом в развитии лазеров было, по--видимому, открытие Беллом в конце 1963 г. лазера, работающего на ионах ртути. Хотя лазер на ионах ртути сам по себе не оправдал первоначальных надежд на получение больших мощностей в непрерывном режиме в красной и зеленой областях спектра, это открытие указало новые режимы разряда, при которых могут быть обнаружены лазерные переходы в видимой области спектра. Поиски таких переходов были проведены также среди других ионов. Вскоре было обнаружено, что ионы аргона представляют собой наилучший источник лазерных переходов с большой мощностью в видимой области и что на них может быть получена генерация в непрерывном режиме . В результате дальнейших усовершенствований аргонового лазера в непрерывном режиме была получена наиболее высокая мощность, какая только возможна в видимой области. В результате поисков была открыта генерация на 200 ионных переходах, сосредоточенных главным образом в видимой, а также в ультрафиолетовой частях спектра. Такие поиски, по-видимому, еще не окончены; в журналах по прикладной физике и в технических журналах часто появляются сообщения о генерации на новых длинах волн,
Тем временем .технические
На протяжении последнего года
появился ряд интересных работ,
посвященных газовым лазерам,
однако еще слишком рано
определять их относительную
ценность. Ко всеобщему удивлению
наиболее важным достижением
явилось открытие Пейтелом
генерации вынужденного излучения
в СО2 на полосе 1,6 мк с
высоким к.п.д.выходная мощность
в этих лазерах может быть доведена
до сотен ватт,что обещает открыть целую
новую область лазерных применений.
5. Полупроводниковые лазеры.
Основным примером работы
а)
Принципы работы МО
накопителя.
МО накопитель построен на
совмещении магнитного и
В процессе записи на МО
диск лазерный луч нагревает
определенные точки на диски,
и под воздейстием
В процессе чтения с МО
диска используется эффект
Керра, заключающийся в
изменении плоскости
Такой способ в отличии от
обычного применяемого в
б)
Область применения
МО
Область применения МО дисков определяется его высокими характеристиками по надежности, объему и сменяемости. МО диск необходим для задач, требующих большого дискового объема, это такие задачи, как САПР, обработка изображений звука. Однако небольшая скорость доступа к данным, не дает возможности применять МО диски для задач с критичной реактивностью систем.Поэтому применение МО дисков в таких задачах сводится к хранению на них временной или резервной информации. Для МО дисков очень выгодным использованием является резервное копирование жестких дисков или баз данных. В отличии от традиционно применяемых для этих целей стримеров, при хранение резервной информации на МО дисках, существенно увеличивается скорость восстановления данных после сбоя. Это объясняется тем, что МО диски являются устройствами с произвольным доступом, что позволяет восстанавливать только те данные в которых обнаружился сбой.Кроме этого при таком способе восстановления нет необходимости полностью останавливать систему до полного восстановления данных.Эти достоинства в сочетании с высокой надежностью хранения информации делают применение МО дисков при резервном копировании выгодным, хотя и более дорогим по сравнению со стримерами.
Применение МО дисков, также
целесообразно при работе
с приватной информацией
в)
Перспективы развития.
Основные перспективы развития
МО дисков связанны прежде
всего с увеличением
Наиболее реальная

- Принцип работы лазерного дальномера
- Принцип работы лазерного, струйного и матричного принтеров
- Принцип работы микроволновой печи
- Принцип работы на Гематологическом анализаторе Medonic-« М-10»
- Принцип работы ПК
- Принцип работы преобразователя частоты
- Принцип работы пропарочной камеры
- Принцип работы жесткого диска
- Принцип работы и задачи корпоративных информационных систем управления проектами
- Принцип работы и классификация реактивных двигателей
- Принцип работы и настройки зубодолбежного полуавтомата модели 5140 и современные тенденции в данном направление
- Принцип работы и основные блоки жесткого диска. Интерфейсы жестких дисков. Технология S.M.A.R.T.
- Принцип работы и устройство СD -ROM
- Принцип работы кондиционеров