Реферат на тему

РЕФЕРАТ НА ТЕМУ:

ЛАЗЕРИ

Серед видатних науково-технічних досягнень ХХ ст. одне з перших місць по праву належить лазеру. Зі створення в 1960 році першого лазера почався стрімкий розвиток лазерної техніки. Лазери почали використовуватися в найрізноманітніших областях: в біології та медицині, в кібернетиці та обчислювальній техніці, для зв’язку та локації, в технологічних процесах, для проведення різноманітних вимірів і т. д.

Лазер – це особливе джерело світла, яке істотно відрізняється від ламп розжарювання, ламп денного світла та ін. Слово “лазер” складене з перших букв англійської назви, яка в перекладі означає “підсилення світла з допомогою вимушеного випромінювання” (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Також можна зустріти замість слова “лазер” скорочення ОКГ (оптичний квантовий генератор).

На відміну від інших джерел світла лазер дає випромінювання, що характеризується високим ступенем упорядкованості світлового поля, чи, як говорять, високим ступенем когерентності. Лазер можна розглядати як своєрідну “оптичну радіостанцію”. В цьому розумінні всі інші джерела світла є не більше, ніж генераторами “оптичного шуму”.

До появи лазера радіодіапазон електромагнітного випромінювання і оптичний діапазон істотно відрізнялись у відношенні когерентності: якщо радіофізики широко використовували когерентні хвилі, то оптики мали в своєму розпорядженні тільки некогерентне випромінювання.

Історія створення лазера

Історію створення лазера слід починати з 1917 року, коли А.Енштейн уперше ввів у фізику уявлення про індуковане випромінювання. Наступний крок було зроблено радянським фізиком В.Фабрикантом, який у 1939 р. вказав на можливість використання такого випромінювання для посилення електромагнітного випромінювання під час його проходження через речовину. Продовжуючи дослідження у цьому напрямку, В.Фабрикант разом зі своїми співробітниками отримав у 1951 р. свідоцтво на винахід способу посилення електромагнітного випромінювання. Спочатку цей спосіб було реалізовано в радіодіапазоні, а точніше – в діапазоні надвисоких частот.

У 1954 р. молекулярний генератор, названий пізніше мазером, став реальністю. Його було створено незалежно і одночасно в двох місцях – у Фізичному інституті ім. П.Лєбєдєва АН СРСР (наукова група Басова і Прохорова) та в Колумбійському університеті США (група під керівництвом Ч.Таунса).

Згодом від терміна мазер і був утворений термін лазер – в результаті заміни “М” (Microwave – мікрохвильовий) на “Л” (Light – світло). Успіх його створення випав на долю американського фізика Т.Меймана - у 1960 році йому вдалося на рубіні отримати генерацію випромінення в оптичному хвильовому діапазоні.

Починаючи з 1961 р. лазери різних типів (на твердих тілах і газові) міцно “оселяються” в оптичних лабораторіях, розробляється і вдосконалюється нова технологія виготовлення лазерів. У 1962-1963 роках створюються перші напівпровідникові лазери. Так починався новий, “лазерний” період оптики.


Оптика, народжена лазером, - це когерентна оптика. Виникнувши менш ніж 20 років тому, когерентна оптика вже принесла чимало сюрпризів: виявлені нові, дуже незвичайні оптичні явища, що знайшли вельми цікаве практичне використання.

Особливої уваги заслуговують два найновіших напрямки когерентної оптики: оптична голографія і нелінійна оптика.

Коли атом поглинає фотон, його енергія збільшується на енергію поглинутого кванту. Прийнято говорити, що при цьому атом переходить на більш високий енергетичний рівень, причому новий рівень лежить на величину енергії поглинутого кванта вище. Звичайно атом намагається перейти у стан із найменшою можливою для нього енергією. Такий стан називають основним. Атом, у котрого запас енергії більший, ніж в основному стані, називають збудженим. Збуджений атом, як правило, дуже швидко позбувається зайвої енергії – всього за одну стомільйонну частку секунди. При цьому атом випускає фотон, енергія котрого дорівнює різниці між збудженим і основним станом атому. Перехід з високого енергетичного рівня на нижчий можливий і під дією кванту, який пролітає повз нього. Такий фотон ніби забирає свого “товариша”, якщо енергія збудженого атому дорівнює енергії вільного фотону. При цьому електромагнітні коливання “викраденого” фотону будуть у тій самій фазі, а також відбуватимуться в тій самій площині, як і у фотона-“викрадача”.

Незадовго до винайдення лазера фізики вивчили цікаве явище – так зване негативне поглинання світла. У деяких кристалах світловий промінь не ослаблюється, а посилюється! Звідки взялася додаткова енергія?

Виявляється, перед проходженням променя кристал освітили потужним потоком світла. Завдяки цьому значна частина атомів кристалу перейшла у збуджений стан. Фотони променя захоплюють із собою нові фотони, змушуючи атоми кристала переходити у нижчий стан.

Перший справжній лазер був зроблений із рубіна, кристалу алюміній оксиду Al₂O₃, що містить приміси атомів хрому. Саме вони і відіграють головну роль у лазерному процесі. Два енергетичних інтервали атома хрому, що входить до складу рубінового кристалу, особливо щільно заповнені енергетичними рівнями. Ці інтервали ab і cd називають смугами поглинання (мал. 1, а). Поглинувши квант hν₁, атом хрому переходить на рівень, який належить цим смугам. Але там затримується не довго, а швидко віддає енергію ΔE′ кристалічній решітці рубіна і переходить на нижчий рівень АА. Такий стан атому називають метастабільним, тому що атом залишається у ньому довгий час (порівняно зі “звичайним” збудженим станом).

Рубіновий стрижень потужного лазера - циліндр діаметром у декілька сантиметрів і довжиною до кількох дециметрів. Його бічні поверхні добре відполіровані, біля однієї з них встановлене плоске дзеркало, яке повністю відбиває світло, у той час як біля другої бічної поверхні дзеркало частково відбиває і частково пропускає світлові промені (мал. 1, б)

ЛАЗЕРНІ ВИПРОМІНЮВАННЯ

Границі випромінювань оптичного діапазону

Оптичні квантові генератори чи лазери можуть застосовува-тися для створення точних вимірювальних приладів та інструмен-тів, в оптичній локації, для передачі інформації, прецизійного зва-рювання, свердління тугоплавких матеріалів. Особливо перспек-тивне застосування лазерів у галузі зв'язку і на телебаченні. В лазе-рах генерується когерентне випромінювання оптичного діапазону великої інтенсивності, у вузькому пучку випромінювання щільність потоку потужності може досягати 10¹²-10¹³ Вт/см².

Електромагнітні випромінювання охоплюють практично весь оптичний діапазон (від ультрафіолетової до інфрачервоної області спектра.


Класифікація електромагнітних випромінювань
оптичного діапазону

Вид випромінювання	Довжина хвилі l, мкм	Частота f, Гц
Інфрачервоні хвилі	100–0,76	3 1012 – 3,94 1014
Видиме світло	0,76–0,39	3,94 1014 – 7,7 1014
Ультрафіолетові хвилі	0,39–0,001	7,7 1014 – 3 1017

Квантові генератори працюють на основі змушених випромінювань, джерелами яких є робочі речовини, що випускають електромагнітні випромінювання оптичного діапазону (що створюють лазерний ефект) внаслідок порушення їхніх атомів електромагнітною енергією іншого джерела. Як інше джерело у твердотілих лазерах служать газорозрядні імпульсні лампи, а в газових лазерах – генератори НВЧ.

Як робочу речовину у твердотілих квантових генераторах застосовують кристали рубіна, скла з домішкою неодиму, диспрозію, вольфрамат кальцію, а в газових генераторах найбільш простого типу – суміш гелію з неоном і азотом. Робоча речовина випромінює хвилі визначеної довжини – рубіновий лазер створює хвилю довжиною λ = 0,6943 мкм, неодимовий λ = 1,06 мкм, лазер на суміші вуглекислого газу з неоном і азотом λ = 10,6 мкм.

Дія лазерних випромінювань на організм людини

Лазерні випромінювання, потрапляючи на біологічні тканини, чинять тепловий, механічний і електрохімічний вплив. Тепловий вплив виявляється в поглинанні енергії лазерного випромінювання біологічними тканинами і, в першу чергу, шкірою, що поглинає велику частину енергії, в результаті чого виникають опіки. Ступінь опіку шкіри у великій мірі залежить від інтенсивності і частоти випромінювання, а також від ступеня пігментації шкіри в момент опіку. Чим більша частота, тим сильніший опік. Чим темніше шкіра, тим більша частина енергії нею поглинається і тим сильніший її опік.

При великій інтенсивності опромінення можуть уражатися внутрішні органи, викликаючи набряки, крововиливи, омертвіння тканин. Можуть мати місце навіть згортання і розпад крові.

При невеликих інтенсивностях лазерного випромінювання в

організмі людини можуть також виникнути функціональні порушення – в першу чергу в нервовій і серцево-судинній системах, що виявляється в зниженні або підвищенні артеріального тиску, підви-щенні пітливості, виникненні головного болю, стомлюваності, дратівливості. Ці зміни оборотні, якщо вжити заходів щодо виключення опромінення і дотримання режиму праці й відпочинку.

Механічний вплив виявляється в розриві тканин, що виникає в результаті різкого скипання рідинних структур живої тканини, підвищення тиску й ударної хвилі.

Електрохімічний вплив лазерного випромінювання зумовлює іонізацію рідинних компонентів і утворення нових структур, не властивих живій матерії.

Найбільш небезпечне лазерне випромінювання для очей. Не-безпека виникає тоді, коли промінь лазера фіксується на сітківці ока, що приводить до її коагуляції. Наслідком коагуляції є сліпота ураженої області сітківки. Найбільш небезпечне ураження центральної ямки сітківки – невелика область діаметром 0,2 мм поблизу центра сітківки. Це серйозна втрата зору. Внутрішнє середовище ока допускає випромінювання оптичного квантового генератора з довжинами хвиль 0,33-1,4 мкм на сітківку ока. Найбільша прозо-рість ока (до 100%) має місце для довжин хвиль 0,5-0,9 мкм, тому випромінювання рубінового генератора з λ = 0,6943 мкм проходить до сітківки без втрат і сприймається як червоний колір, а випро-мінювання генератора, що працює на суміші вуглекислого газу з неоном і азотом з λ = 10,6 мкм, поглинається рогівкою ока.

Небезпечним для очей є не тільки пряме випромінювання лазера, але й відбите від будь-якої поверхні. Якщо від лазерного випромінювання око віддаляється на видиму відстань, то це не врятовує його від ураження, тому що в оптичній системі ока віддалені об'єкти фокусуються на сітківці менше, ніж прилеглі об'єкти.

Робота з оптичними квантовими генераторами пов'язана з такими шкідливими виробничими факторами, як: сліпуче яскраве світло лампи накачування, озон, електромагнітні випромінювання НВЧ і т.ін.


СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

1. Кузнецов В.И. Свет.- М.,1977.- 128 с. – (“Ученые – школьнику”)
   
2. Тарасов Л.В. Оптика, рожденная лазером: Кн. для внеклассного чтения. – М., 1977.- 143 с. – (“Мир знаний”)