Мансурова

Секция ФИЗИКИ
Мансурова Диляром
Научный руководитель: Худяков Юрий Осипович
Лазер и его применение
Лазер - что это? Лазер - это оптический квантовый генератор (название
представляет собой аббревиатуру слов английской фразы: Light Amplification by
Stimulated Emission of Radiation, усиление света в результате вынужденного излучения).
Лазеры способны создавать пучки света с очень малым углом расхождения, порядка 105
рад.
Главный элемент лазера - активная среда, для образования которой используют:
воздействие света, электрический разряд в газах, химические реакции, бомбардировку
электронным пучком и другие методы «накачки». Активная среда расположена между
зеркалами, образующими оптический резонатор.
Свет лазера монохроматичен (одноцветен), это значит, что от конкретного лазера
исходят волны одной и той же длины. В отличие от других источников света, атомы
которых излучают свет независимо друг от друга, в лазерах атомы излучают свет
согласованно.
Лазер - самый сильный источник света. Мощность излучения некоторых лазеров
достигает 17 Вт на см2. Напряженность электрического поля в электромагнитной волне,
излучаемой лазером, превышает напряженность поля внутри атома.
Немного из истории лазера. Уже в 1917 году А.Эйнштейн предсказал возможность
индуцированного (вынужденного) излучения света атомами. В 1940 г. В.А.Фабрикант
указывает на возможность использования этого излучения для усиления
электромагнитных волн.
А в 1954 году Н.Г.Басов, А.М.Прохоров и независимо от них Ч.Г.Таунс используют
явление индуцированного излучения для создания микроволнового генератора радиоволн
с длиной волны порядка 1,27 см - мазера. За это достижение в 1963 году учёные получили
Нобелевскую премию. В 1960 году В США создан первый настоящий лазер - квантовый
генератор электромагнитных волн в видимом диапазоне спектра.
Под индуцированным излучением понимается излучение возбужденных атомов под
действием падающего на них света. Замечательной особенностью этого излучения
является то, что возникшая при индуцированном излучении световая волна не отличается
от волны, падающей на атом, ни частотой, ни фазой, ни поляризацией. На языке
квантовой теории вынужденное излучение означает переход атома из высшего
энергетического состояния в низшее, но не самопроизвольно, как при обычном излучении,
а под влиянием внешнего воздействия.
В обычных условиях большинство атомов находится в низшем энергетическом
состоянии. Поэтому при низких температурах вещества не светятся. При прохождении
электромагнитной волны сквозь вещество ее энергия поглощается. За счет поглощенной
энергии волны часть атомов возбуждается, т.е. переходит в высшее энергетическое
состояние. При этом от светового пучка отнимается энергия равная разности энергий
между уровнями.
Теперь представим себе, что каким-либо способом мы возбудили большую часть
атомов среды. Такое состояние называется инверсией населённости. Тогда при
прохождении через вещество электромагнитной волны с частотой ύ = (Е2 – E1)/h эта волна
будет не ослабляться, а, напротив, усиливаться за счет индуцированного излучения.
Под её воздействием атомы переходят в низшие энергетические состояния, излучая
волны, совпадающие по частоте и фазе с падающей волной. При дальнейшем
взаимодействии этих фотонов с возбужденными атомами, аналогичными первому атому,
может возникнуть "цепная реакция" размножения одинаковых фотонов, "летящих"
1
абсолютно точно в одном направлении, что приведет к появлению узконаправленного
светового луча.
Лазеры бывают разных типов. Во-первых, это газовые лазеры. Ведь многие газы и
газовые смеси при возникновении в них электрического разряда начинают генерировать
лазерное излучение. Также есть твердотельные лазеры с оптической накачкой. В данном
случае лазерный эффект в твердом теле осуществляется благодаря наличию в нем
примеси (например, окиси хрома в случае рубина), концентрация которой очень мала.
Такие лазеры излучают короткие импульсы очень высокой мощности. Например, лазер из
стекла с неодимом при диаметре стержня в 10 см. может обеспечить пиковую мощность
около триллиона ватт.
В ходе некоторых химических реакций выделяется много энергии, и в конечных
продуктах таких реакций оказывается достаточно возбужденных атомов, чтобы
осуществить лазерную генерацию. Это и является основой действия химических лазеров.
Наиболее перспективным из лазеров этого типа представляется генератор на
фтороводороде, образующемся при прямом взаимодействии атомарных компонентов.
Лазер на фтороводороде может излучать импульсы очень большой энергии (в несколько
тысяч джоулей) при весьма скромном блоке питания.
Если через полупроводниковую структуру типа транзисторной пропускать
электрический ток, то можно добиться лазерного эффекта. Габариты и выходная
мощность полупроводниковых лазеров малы, но их КПД высок. Такие лазеры делают в
основном на арсениде или алюмоарсениде галлия; применяют их главным образом в
системах связи и в CD-ROM.
Ещё одним типов лазеров являются лазеры на красителях. Многие жидкие
органические красители генерируют лазерное излучение при накачке ультрафиолетовым
излучением, газоразрядными импульсными лампами и лазерами (обычно газовыми)
непрерывного действия. У лазеров на красителях два важных достоинства: во-первых, они
способны перестраиваться по длине волны и, во-вторых, могут излучать сверхкороткие
импульсы - длительностью менее одной триллионной доли секунды. В связи с этим
лазеры на красителях широко применяются в методах спектроскопии, в том числе в
спектральном анализе с временным разрешением.
Сегодня лазеры находят широкое применение. Например, в лечении глаз. Лазер,
который здесь применяется, называется эксимерным. Два инертных газа, соединяясь в
камере, образуют смесь, которую пропускают по узкой трубочке, где происходит
микроразряд, в результате которого световая энергия высокой плотности и острой
направленности - порциями подается на объект, т.е. на роговицу глаза.
"Лазерное" направление в рефракционной хирургии глаза началось с разработки
фоторефракционной кератэктомии. Её суть такова: лазер делает от четырех до
шестнадцати радиальных насечек на роговице. Эффект метода основан на том, что в
процессе заживления рубцов роговица уплоняется, изменяется её кривизна - в результате
изображение вновь фокусируется на сетчатке, т.е. близорукость исчезает. После такой
операции 2-3 дня сильно болят глаза. Зрение восстанавливается через несколько недель.
Часто бывают осложнения и через год-другой восстановленная острота зрения может
опять опуститься до начального уровня.
Более современная технология называется LASIK. С помощью микрокератома
(механическое режущее устройство) надрезается роговица с одной стороны. Получается
роговичный лоскут. Отогнув в сторону этот лоскут, хирург приступает непосредственно к
коррекции. Для этого используется эксимерный лазер, как это описано выше, но только
теперь воздействию подвергается внутренний слой роговицы. Затем лоскут
устанавливается на место и прилипает благодаря адгезивным свойствам глаза. Боли после
операции незначительные и проходят через 2-4 часа. Зрение восстанавливается через
несколько дней.
2
Лазерный скальпель
Многоволновая медицинская лазерная
установка "ONYX" (лазерный скальпель)
Ещё одним примером медицинского лазерного устройства является многоволновая
медицинская лазерная установка "ONYX". Она предназначена для лазерного разрушения
(деструкции) как мягких, так и твердых тканей человека. Установка "ONYX" может
использоваться во всех областях медицины. Она включает в себя акустический,
температурный и спектральный сенсоры для проверки и контроля удаления ткани.
Установка "ONYX" - отечественная разработка.
Лазеры применяются в компьютерах. CD-ROM диск - это цифровой носитель
информации, который используется в компьютерных и музыкальных системах. Здесь луч
лазера направляется на дорожку диска, проникает сквозь защитный слой пластика и
попадает на отражающий слой алюминия на поверхности CD. Затем он отражается на
детектор и проходит через призму, отклоняющую его на светочувствительный диод. При
попадании луча в ямку он рассеивается и лишь малая часть излучения отражается обратно
и доходит до светочувствительного диода. На диоде световые импульсы преобразуются в
электрические, яркое излучение преобразуется в нули, слабое - в единицы. Таким образом,
ямки воспринимаются дисководом как логические нули, а гладкая поверхность как
логические единицы.
Также лазер используется в оптоволоконной аппаратуре.
Широкое применение находит лазер в вооружении. Так, США и Россия имеют
серьёзные разработки в области использования лазеров в качестве космического
вооружения. Основной упор здесь сделан на создание новых видов оружия,
использующих спутник – наблюдатель, поражающим фактором которого является
электромагнитное излучение различных диапазонов спектра: от радиоволн до гаммаизлучения. Основным преимуществом такого оружия является практически мгновенное
достижение цели, т.к. электромагнитное излучение распространяется со скоростью света.
Это позволяет наносить удар неожиданно и быстро с большого расстояния. Кроме того,
исчезает необходимость в расчете траектории движения цели с целью упреждения ее
движения. Появляется принципиальная возможность уничтожать взлетающие ракеты на
активном (разгонном) участке их траектории в течение первых 5 минут после старта.
Именно поэтому лазерным оружием предполагалось оснастить первый эшелон системы
ПРО.
Разрушающее воздействие лазерного излучения основано прежде всего на тепловом
нагреве ракет (прожигание топливных баков, электроники и систем управления) и
действии ударной ("шоковой") волны, которая возникает при попадании на поверхность
ракеты импульсного лазерного излучения. В последнем случае ударная волна выводит из
строя электронику и системы наведения ракеты, а также может повлечь детонацию
взрывчатого вещества в боеголовке.
Сегодня в вооружении получили распространение лазерные прицелы (ЛЦУ).
Лазерный прицел представляет собой небольшой полупроводниковый лазер и
устанавливается на короткоствольное оружие типа пистолетов или револьверов.
Использование ЛЦУ резко повышает точность стрельбы на небольших дистанциях.
Также лазер используется при наведении ракет, в установках для разминирования.
3
Таким образом, применение лазера только расширяется и мы не знаем, где он будет
применяться уже завтра.
Литература:
1. Зисман Г.А. Курс общей физики. Т 3. – М: Наука, 1978.
2. Малышев В.А. Основы квантовой электроники и лазерной техники. – М, 2005.
3. Транковский С.. Энциклопедия для детей. Т 16. – Москва: «Аванта», 2001.
4. Тодес О.М. Атомная физика. Т 1. – М.: Наука, 1974.
5. Фрадкин В.Е. Энциклопедия школьника. Т. 2. – СПб.: Весь, 2006.
Интернет сайты:
www.StudentPort.ru;
www.vesbook.ru;
www.hochyZnat.ru.;
www. Shcoolinfo. ru.
4