МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИРОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕПРОФЕССИОНАЛЬНОЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕДЮРТЮЛИНСКИЙМНОГОПРОФИЛЬНЫЙКОЛЛЕДЖРЕФЕРАТПо дисциплине физикеНа тему: «Излучение лазера»Выполнил:студент 1 курсагруппы 1ЭД-22.1Давлетшин И.М.Проверилапреподаватель по физике:Шарифуллина А.А.Дюртюли, 2023 Оглавление.1.Вступление. 32.Что такое лазер. 32.1 Первый лазер 32.2 Оптический квантовый генератор или лазер. 42.3 Лазер в работе. 53.Разновидности лазеров. 53.1 Газовые лазеры. 53.2 Газодинамический лазер. 63.3 Лазеры на красителях. 64.Функции лазерного луча. 75.Лазер в медицине. 85.1 Лазер в хирургии. 95.2 Лазер на охране зрения. 95.3 Лазер в гастроэнтерологии. 105.4 Лазер в стоматологии. 115.5 Меры безопасности. 116.Недавнее открытие. 117.Заключение. 12Список литературы 13
Вступление.
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.В настоящее время слово «лазер» стало общеупотребительным. Ведь это устройство используется во всех сферах деятельности человека: промышленности, науке, медицине и т.п. Но не каждый знает что это такое. На самом деле описание лазера заключено в его названии. Слово «лазер» составлено из первых букв английской фразы, означающей: «усиление света при помощи вынужденного излучения». Он может вылечить надвигающуюся слепоту и на лету поразить вражеский самолёт, мгновенно просверлить отверстие в алмазе и раскроить тончайшую шелковую ткань. Он безболезненно заменяет сверло в стоматологическом кабинете, создаёт голографические эффекты, рассекает человеческую плоть без пролития крови и многое-многое другое.
Что такое лазер.
Первый лазер
Работы по лазерам в лаборатории люминесценции ФИАН возникли по инициативе Н. Г. Басова, вызванной тем, что, начиная с 1958 года были опубликовали статьи о перспективности получения генерации в оптической области спектра с использованием индуцированного излучения. А затем американскими учеными (Мейманом и другими) в 1960 году были получены обнадеживающие результаты с рубином. А.М. Леонтович, М.Д. Галанин, З.А. Чижикова занялись этой проблемой.Весной 1961 г. эта группа учёных создала лазерную установку, в которой образец рубина с концентрацией хрома 0,05% и длиной 4см накачивался 2 импульсными лампами в кожухе с напылением MgO. На этой установке они добились генерации 18 сентября 1961 года.Тогда был какой-то предрассудок насчет формы образцов — все первые рубины были в форме параллелепипедов, и американские, и наши. Позже было понято, что это не играет роли, что важна только параллельность торцов кристаллов, на которые тогда и наносились зеркала. Потом появились образцы цилиндрической формы, и также, когда стали применять внешние зеркала — с брюстеровскими торцами.
Оптический квантовый генератор или лазер.
Лазер также называется оптический квантовый генератор или генератор когерентного излучения. Разберем его устройство на примере сбора одной модели лазера.Возьмём стержень или пластинку, сделанную из материала, от которого мы хотим добиться излучения. Материал должен быть прозрачным, чтобы свет пронизывал его насквозь. Самые распространённые материалы для стержней – искусственно выращенные кристаллы рубина или граната (или стекло, в которое добавлено небольшое количество редкого элемента неодима). Стержни обычно бывают диаметром от 6 до 20 миллиметров и длинной от 10 до 60 сантиметров. Сам лазер часто именуется по материалу стержня. Так, выражение «рубиновый лазер» совсем не означает, что весь прибор сделан из этого драгоценного камня. Просто внутри него находится кристалл искусственного рубина.Рядом со стержнем поместим осветитель, его называют лампой накачки. Лампа будет импульсивной, вроде тех ламп–вспышек, которыми пользуются фотографы. Все процессы в атомах проходят за миллионные доли секунды, так что надолго включать её нет смысла. Осветитель вместе со стержнем окружим отражателем, чтобы ни один квант света накачки не пропал зря. Возле торцов рабочего стержня установим два зеркала: сзади – глухое, отражающее весь падающий на него свет, спереди – полупрозрачное. Зеркала необходимо установить строго параллельно друг другу и перпендикулярно оси стержня. Лазер готов. Осталось включить лампу.
К несчастью увидеть своими глазами процесс, происходящий в лазере после вспышки лампы, мы не сможем. Он проходит слишком быстро. Но представить его можно.
Лазер в работе.
После вспышки лампы поток световой энергии попадает на стержень. Его атомы быстро переходят в возбуждённое состояние. С каждым мгновением таких возбужденных атомов становиться всё больше и больше. Долго в возбуждённом состоянии они не живут, в среднем всего одну стомиллионную долю секунды, а потом переходят в нормальное состояние, излучив при этом свет. Лампа все ещё горит, и атомы вновь возбуждаются. Когда несколько атомов случайно излучают кванты вдоль оси стержня, начинается процесс накапливания энергии. После каждого столкновения с атомами число квантов удваивается, поток излучения движется вдоль стержня и растёт, как лавина. Отражаясь в зеркалах, излучение многократно пронизывает стержень, заставляя все атомы без исключения внести свою долю энергии в общий поток света. Сквозь полупрозрачное зеркало этот свет вырывается наружу. Происходит вспышка. Её длительность всего около одной миллионной секунды. А лампа всё ещё горит, и через три миллионных доли секунды всё повторяется снова. И опять, и опять, до тех пор, пока яркости света уже потухающей лампы не станет мало для поддержания генерации. Именно так был сделан и работал первый лазер, построенный на кристалле рубина. Не вся энергия лампы накачки преобразуется в лазерную вспышку. Большая её часть, к несчастью, уходит на бесполезный и даже вредный нагрев стержня и зеркала. Мощные импульсные лазеры охлаждают потоком воздуха, воды, а иногда и жидким азотом. Частота повторения импульсов зависит то того, насколько хорошо стержень лазера выдерживает высокую температуру. Неодимовые и рубиновые лазеры дают одну – две вспышки в секунду, лазер на гранате – несколько сотен. Рекордная частота генерации для импульсного лазера двенадцать миллионов вспышек в секунду. Излучение таких лазеров воспринимается уже как непрерывное.
Разновидности лазеров.
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.
Газовые лазеры были созданы почти одновременно с рубиновыми лазерами, в том же 1960 году. Их рабочее вещество различные газы, заключённые в стеклянные трубки. Давление газов в этих трубках очень низкое, в сотни раз меньше атмосферного. На концах трубки – окошки, через которые луч света выходит наружу. Трубка также помещается между зеркалами. Всё, как в импульсном лазере, только лампы накачки нет. Газы при низком давлении хорошо проводят электрический ток, поэтому их атомы можно возбуждать электрическим разрядом. Ток проводится через проволочки – электроды, впаянные в стеклянную трубку. Трубка с возбуждённым газом светится, а из её торцов выходят лучи. Цвет лучей зависит от газа заключённого в трубку. Смесь гелия с неоном даёт красный луч, аргон – синий, ксенон – зелёный, криптон – жёлтый, а углекислый газ – невидимый тепловой, инфракрасный луч. Есть даже лазер на водяных парах. Изобретен он был в конце 20 века. Такой лазер даёт мощное тепловое излучение. Длина его волны чуть больше одной десятой миллиметра. Это самое длинноволновое излучение, полученное при помощи лазера.Разреженный газ в лазерной трубке очень мало рассеивает свет. Размеры трубок газовых лазеров можно делать очень большими: лазер длиной 5–10 метров – вещь довольно обычная. Мощность его излучения может достигать тысячи ватт, то есть одного киловатта.
Газодинамический лазер.
Газодинамический лазер похож на реактивный двигатель и работает также. В его камере сгорания сжигается угарный газ (окись углерода) с добавкой топлива (керосина, бензина, спирта). Получившаяся при этом смесь газов состоит из углекислого газа, азота и паров воды. Молекулы газов возбуждены, ведь температура в камере сгорания доходит до тысячи с лишним градусов, а давление – до 20 атмосфер. Эти раскалённые газы из камеры сгорания вытекают через расширяющееся реактивное сопло, его ещё иногда называют соплом Лаваля. В нём газ разгоняется до сверхзвуковой скорости, охлаждаясь почти до нуля! Проносясь между зеркалами, молекулы газа начинают отдавать энергию в виде световых квантов, рождая лазерный луч, мощность которого 150–200 киловатт. И это мощность не отдельной вспышки, а постоянного, устойчивого луча, сияющего, пока у лазера не кончиться горючие.
Лазеры на красителях.
Называются они так потому, что их рабочая жидкость – раствор анилиновых красок (вроде тех, которыми красят шерсть и хлопок) в воде, спирте, кислоте и других растворителях. Жидкость налита в плоскую ванночку – кювету. Кювета, разумеется, установлена между зеркалами. Вместо лампы–вспышки на первых порах использовались импульсные рубиновые лазеры, а позднее – газовые. Лазер–накачку помещают рядом, вводя его луч в кювету через окошко в корпусе. Сейчас, правда, удалось добиться генерации света и с импульсной лампой, но не на всех красителях.
Растворы могут излучать импульсы света различной длины волны – от ультрафиолета до инфракрасного света – и мощностью от сотен киловатт до нескольких мегаватт (миллионов ватт), в зависимости от того, какой краситель налит в кювету. Лазеры на красителях помогают следить за состоянием атмосферы. Современные города накрыты «колпаком» пыльного, закопчённого воздуха. О степени его загрязнения можно следить по тому, насколько сильно в нём рассеиваются лазерные лучи с разной длиной волны. В чистом воздухе свет не рассеивается, его лучи становятся невидимыми. Также бывают жидкостные и полупроводниковые лазеры.
Функции лазерного луча.
Основная область применения маломощных импульсных лазеров связана с резкой и сваркой миниатюрных деталей в микроэлектронике и электровакуумной промышленности, с маркировкой миниатюрных деталей, автоматическим выжиганием цифр, букв, изображений для нужд полиграфической промышленности. В последние годы в одной из важнейших областей микроэлектроники - фотолитографии, без применения которой практически невозможно изготовление сверхминиатюрных печатных плат, интегральных схем и других элементов микроэлектронной техники, обычные источники света заменяются на лазерные. С помощью лазера на ХеСL (1=308 нм) удается получить разрешение в фотолитографической технике до 0,15 - 0,2 мкм.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.Лазерный луч может передавать сигналы, как радиоволны или электрический ток. Первая в СССР линия оптической связи передавала телефонные разговоры между Москвой и Красногорском по открытому лучу. Один из лазеров был установлен на башне высотного здания МГУ. Лазерный луч может идти по стеклянным нитям, как ток по проводам. Благодаря этому получают фотографии изнутри внутренних органов (например, желудка) вводя волоконный световод через пищевод больного. Лазерный луч сжигает любой, даже самый прочный и жаростойкий материал. Движением режущего луча управляет ЭВМ, так что можно мгновенно определять точность резания и вносить требуемые поправки. Тонкую, вольфрамовую проволоку для электрических лампочек протягивают через отверстия в алмазах, пробитые лазерным лучом. Рубиновые подшипники (камни для часов) обрабатывают на лазерных станках–автоматах. Точность лазерных измерений очень высока.
