.

Лазер. Класифікація, історія, будова, робота, види та застосування лазерів (реферат)

Язык: украинский
Формат: реферат
Тип документа: Word Doc
35 24031
Скачать документ

Реферат

на тему:

Лазер. Класифікація, історія, будова, робота, види та застосування
лазерів

План

Вступ. Визначення.

1. Загальна інформація

2. Класифікація лазерів

3. Історія лазерів

3.1. Лазерний візир

3.2. Лазерний спектральний аналіз

3.3. Лазерні маркшейдерські інструменти

4. Будова лазера

5. Робота лазера

6. Види лазерів

7. Застосування лазерів

Використані джерела

Вступ. Визначення.

Лазер (англ. LASER — Light Amplification by Stimulated Emission of
Radiation, підсилення світла за допомогою вимушеного випромінювання) 
(рос. лазер, англ.laser, нім. Laser m)— пристрій для ґенерування або
підсилення монохроматичного світла, створення вузького пучка світла,
здатного поширюватися на великі відстані без розсіювання і створювати
винятково велику густину потужності випромінювання при фокусуванні
(108 Вт/см? для високоенергетичних лазерів). Лазер працює за принципом,
аналогічним принципові роботи мазера. Лазери використовуються для
зв’язку (лазерний промінь може переносити набагато більше інформації,
ніж радіохвилі), різання, пропалювання отворів, зварювання,
спостереження за супутниками, медичних і біологічних досліджень і
в хірургії.

Інша назва лазера – оптичний квантовий генератор.

1. Загальна інформація

Лазер – джерело когерентного, монохроматичного і вузькоспрямованого
електромагнітного випромінювання оптичного діапазону, яке
характеризується великою густиною енергії. Існують газові лазери,
рідинні та на твердих тілах (діелектричних кристалах, склі,
напівпровідниках). В лазері має місце перетворення різних видів енергії
в енергію лазерного випромінювання. Головний елемент лазара – активне
середовище, для утворення якого використовують: вплив світла,
електричний розряд у газах, хімічні реакції, бомбардування електронним
пучком та ін. методи «накачування». Активне середовище розташоване
між дзеркалами, які утворюють оптичнийрезонатор. Існують лазери
неперервної та імпульсної дії. Лазери отримали широке застосування в
наукових дослідженнях (фізика, хімія,біологія, гірнича
справа тощо), голографії і в техніці. Наприклад,
у геодезії, маркшейдерії, у кінці ХХ ст. створено новий метод лазерної
сепарації алмазів з потоку руди (Гудаєв О. А., Канаєв И. Ф., Шлюфман Е.
М. // Датчики і системи. – 1999).

2. Класифікація лазерів

За схемами функціонування:

3-рівневі

квазі-4-рівневі

4-рівневі

За агрегатним станом активного середовища:

газові

рідинні

твердотільні

За методом отримання інверсії:

з електронною накачкою

з хімічною накачкою

з оптичною накачкою

з тепловою накачкою

Найбільш розповсюдженою є класифікація за фізичими особливостями
активного середовища:

твердотільні — solid-state laser

напівпровідникові — semiconductor laser

волоконні — fiber laser

газові — gas laser

іонні — ion laser

молекулярні — molecular laser

рідинні — dye laser

газодинамічні — gasdynamic laser

хімічні — chemical laser

ексимерні — eximer laser

лазери на центрах забарвлення — color centers laser

фотодисоціаційні — photodissociation laser

лазери на вільних електронах — free electron laser

рентгенівські — x-ray laser

лазери з перебудовою довжини хвилі генерації — tunable laser

раманівські — raman laser

параметричні — parametric laser

3. Історія лазерів

Хронологію винаходів у лазерній техніці – див. у додатку.

3.1. Лазерний візир

Лазерний візир (рос. лазерный визир, англ. laser sight, нім. Laservisier
n) – світлопроекційний прилад для створення опорної лінії в просторі.
Застосовується для задання напрямку похилим гірничим виробкам у
підземних умовах. Забезпечує можливість оперативного контролю
прямолінійності виробки, визначення відхилення від заданого напрямку у
горизонтальній та вертикальній площинах. Складається з газового
(гелій-неонового) лазера з телескопічною колімуючою системою і підставки
з піднімальними і відліковими механізмами. Моделі Л. в. мають пристрої
стабілізації і зміни напрямку світлового пучка. Прилад встановлюється на
стандартну підставку на штативі, має вертикальну і горизонтальну осі
обертання випромінювача. Граничні значення кутів повороту в
горизонтальній площині – 180°, у вертикальній – 20°. Опорна лінія (вісь
світлового пучка, випромінюваного лазерним приладом), орієнтована в
просторі по заданому напрямку.

3.2. Лазерний спектральний аналіз

Лазерний спектральний аналіз (рос. лазерный спектральный
анализ, англ. laser spectrum analysis; нім. Laserspektralanalyse f) –
якісне і кількісне визначення елементного і молекулярного складу
речовини шляхом дослідження його спектрів, які отримують за допомогою
лазерного випромінювання. Використання лазерів забезпечує граничні
значення найбільш важливих для спектрального аналізу характеристик:
чутливість на рівні детектування одиничних атомів і молекул,
вибірковість аж до реєстрації частинок з певними квантовими
характеристиками в суміші частинок, гранична спектральна (до повного
усунення впливу приладу) і часова (до 10 – 14 с) точність, можливість
дистанційного аналізу (до дек. км). Л.с.а. використовується, як правило,
в тих випадках, коли необхідні характеристики не можуть бути отримані за
допомогою традиційних методів і приладів спектрального аналізу.

3.3. Лазерні маркшейдерські інструменти

Лазерні маркшейдерські інструменти (рос. лазерные маркшейдерские
инструменты, англ. laser instruments for mine
surveying, нім.Lasermarkscheideinstrumente n pl,
Lasermarkscheidewerkzeuge n pl) – маркшейдерські
інструменти та прилади (лазерний візир, лазерна рулетка та ін.), в яких
візування здійснюється вузькоспрямованим пучком червоного світла,
утвореного проектором, в основу якого покладено газовий (частіше
гелій-неоновий) лазер. Найбільш поширеним у гірничій практиці є лазерний
покажчик напряму ЛУН різних модифікацій, який застосовується для задання
напрямку гірничим виробкам при їх проходці. Встановлюється на
стаціонарній підставці у виробці. Основною перевагою є наявність
дистанційного управління, що дає можливість вмикати і вимикати прилад,
знаходячись від нього на відстані кількох сотень метрів безпосередньо у
вибої. Правильність напрямку виробки контролюється по положенню
світлової плями лазерного променя на стінці вибою.

4. Будова лазера

Лазер – джерело світла. У порівнянні з іншими джерелами світла лазер має
низку унікальних властивостей, пов’язаних з когерентністю і високою
спрямованістю його випромінювання. Випромінювання “нелазерних” джерел
світла не має цих особливостей.

”Серце лазера” – його активний елемент. В одних лазерів
це кристалічний або склянний стрижень циліндричної форми. В інших –
запаяна скляна трубка, всередині якої перебуває спеціально підібрана
газова суміш. В третіх – кювета зі спеціальною рідиною. Відповідно
розрізняють лазери твердотільні, газові й рідинні.

При нагріванні будь-яке тіло починає випромінювати тепло. Однак
випромінювання теплового джерела поширюється в усіх напрямках , тобто
заповнює тілесний кут 4? стерадіан. Формування спрямованого пучка від
такого джерела, здійснюване за допомогою системи діафрагм або оптичних
систем, що складаються з лінз і дзеркал, завжди супроводжується втратою
енергії. Жодна оптична система не дозволяє одержати на поверхні
освітлюваного об’єкта потужність випромінювання більшу, ніж у самім
джерелі світла.

5. Робота лазера

Збуджений атом може мимовільно (спонтанно) перейти на один з нижчих
рівнів енергії, випромінивши при цьому квант світла. Світлові хвилі,
випромінювані нагрітими тілами, формуються саме в результаті таких
спонтанних переходів атомів і молекул. Спонтанне випромінювання різних
атомів некогерентне. Однак, крім спонтанного випромінювання, існують
випромінювальні акти ін. роду. Щоб створити лазер або оптичний квантовий
генератор – джерело когерентного світла необхідно:

робоча речовина з інверсною заселеністю. Тільки тоді можна одержати
підсилення світла за рахунок вимушених переходів.

робочу речовину слід помістити між дзеркалами, які здійснюють зворотний
зв’язок.

посилення дає робоча речовина, а отже, число збуджених атомів або
молекул у робочій речовині повинне бути більше від певного порогового
значення, що залежить від коефіцієнта відбиття напівпрозорого дзеркала.

6. Види лазерів

Рубіновий лазер працює в імпульсному режимі. Існують також лазери
неперервної дії. У газових лазерах цього типу робочою речовиною є, газ.
Атоми робочої речовини збуджуються електричним розрядом. Застосовуються
й напівпровідникові лазери безперервної дії. Вони створені вперше в
нашій країні. У них енергія для випромінювання запозичиться від
електричного струму. Створені дуже потужні газодинамічні лазери
неперервної дії на сотні кіловатів. У цих лазерах «перенаселеність»
верхніх енергетичних рівнів створюється при розширенні й адіабатному
охолодженні надзвукових газових потоків, нагрітих до декількох тисяч
Кельвін.

7. Застосування лазерів

Великі можливості відкриваються перед лазерною технікою в біології й
медицині. Лазерний промінь застосовується не тільки в хірургії
(наприклад, при операціях на сітківці ока) як скальпель, але й у
терапії. Інтенсивно розвиваються методи лазерної локації й зв’язку.
Локація Місяця за допомогою рубінових лазерів і спеціальних кутових
відбивачів, доставлених на Місяць, дозволила збільшити точність виміру
відстаней Земля – Місяць до декількох см. Отримано обнадійливі
результати в спрямованому стимулюванні хімічних реакцій. За допомогою
лазерів можна вибірково збуджувати одне із власних коливань молекули.
Виявилося, що при цьому молекули здатні вступати в реакції, які не можна
або важко стимулювати звичайним нагріванням.За допомогою лазерної
техніки інтенсивно розробляються оптичні методи обробки передачі й
зберігання інформації, методи голографічного запису інформації,
кольорове проекційне телебачення.

Використані джерела

Лазер. Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
http://uk.wikipedia.org/wiki/Лазер

?8

&

&

&

???????¤?????sers. University Science Books, 1986

William T. Silfvast: Laser Fundamentals. Cambridge University Press,
2004

Svelto O.: Principles of Laser. Springer, 2004

Verdeyen J.T.: Laser Electronics, Prentice Hall, 1995

Webb C.E.: Handbook of Laser Technology and Applications, Institute of
Physics Publishing, 2004

Звелто О.: Принципы лазеров. Москва, Мир, 1990

Мала гірнича енциклопедія: В 3-х т. / За ред. В. С. Білецького. —
Донецьк: «Донбас», 2004. ISBN 966-7804-14-3

www.z-laser.com/zlaser_de/allgemein/lasergeschichte

M. Bertolotti: The History of the Lasers, Institute of Physics
Publishing, 1999

Додаток

Історія винаходу лазерів

1916 • А. Ейнштейн представляє концепт вимушеного випромінювання

1920 • Й. Франк і Ф. Райхе підтвердили існування метастабільних станів в
збудженому стані

1927 • П. Дірак створює квантову теорію вимушеного випромінювання

1928 • Р. Ладенбург і Е. Копферман дослідили від’ємну дисперсію світла в
газовому розряді (в неоні)

1940 • В.А. Фабрикант дослідив від’ємне поглинання світла

1947 • В. Ламб і Р. Резерфорд вперше демонструють стимульовану емісію

1950 • К.М. Пурселл і Р.Ф. Паунд отримали стимульовану емісію в флюориді
літію при швидкому переключенні магнітного поля (інвертований спін)

1951 • В.А. Фабрикант, М.М. Вудинський, Ф.А Бутаєва провели експерименти
по підсиленню електромагнітного випромінювання в газах

• Ч. Таунс дослідив можливості створення генератора субміліметрового
діапазону

• Ц.С. ван Гііл, Г.Г. Гопкінс і Н.С. Капані виготовили перше оптичне
волокно

1952 • Дж. Вебер розробив теорію мікрохвильових резонаторів, шумів і
чутливості підсилювачів

1953 • Дж. фон Нейман розробив теорію фотонного підсилення

1954 • Н.Г. Басов , О.М. Прохоров; Ч. Таунс, В. Гордон; Дж. Цайгер, К.
Шимода, Т.Ванг створили незалежно один від одного перший мазер на
молекулах аміаку

• Н.С. Капані ввів термін „волоконна оптика”

1956 • Н. Бломберг розробив теорію трирівневого твердотільного лазера

1958 • Л. Шавлов і Ч. Таунс проводять розрахунки мазерів для видимого і
інфрачервоного діапазонів

1959 • Ґ. Ґоулд вводить термін „ЛАЗЕР” і подає креслення оптичного
мазера в америкаське патентне бюро

• Н.Г.Басок робить теоретичне обґрунтування напівпровідникового лазера

1960 • Т. Мейман створив перший генератор електромагнітного
віпромінювання на кристалі рубіну (Cr3+:Al2O3) (? = 690 нм)

• А. Джаван, В. Беннет і Д.Еріот побудували гелій-неоновий лазер (? =
1,15 мкм)

• П. Сорокін і М. Стевенсон отримали стимульовану емісію на
U3+:CaF2-кристалі (? = 2,5 мкм і ? = 2,6 мкм)

• Ф.Ґ. Гоутерманс запропонував ексимери як лазерне середовище

1961 • А.Ґ. Фокс і Т.Лі; Ґ.Д. Бойд і Дж.П. Ґордон створили теорію
оптичних резонаторів з сферичними дзеркалами

• П.П. Сорокін і М.Дж. Стевенсон, В. Кайзер та інші отримали
стимульовану емісію на Sm2+:CaF2-кристалі (? = 708 нм)

• E. Шнітцер отримав стимульовану емісію на Nd3+:склі (? = 1,062 мкм)

• Д. Полані створив хімічний лазер на екзотермічних газових реакціях

• Р.В. Геллварт запропонував генерацію потужних лазерних імпульсів з
допомогою модуляції добробності

• П.А. Франкен отримав генерацію другої гармоніки (подвоєння частоти) в
рубіновому лазері з допомогою кристалу кварцу

1962 • Д. Уайт і Дж. Ріджен створили He-Ne лазер з довжиною хвилі 632,8
нм

• Р.Холл та інші; Н.Г. Басов та інші винайшли напівпровідникові лазери
на арсеніді галію (? = 840 нм, ? = 710 нм)

• Д. Кляйнман і П. Кіслюк побудували перший рефлектор Фабрі-Перо для
селекції мод в лазерному резонаторі

• Н. Бломберґен та інші висунули теорію поширення хвиль в нелінійних
середовищах (подвоєння частоти, параметричні процеси, стимульований
ефект Рамана, багатофононна іонізація та інші)

1963 • Л. Джонсон та інші представили перші перестроювані лазери на
перехідних металах, наприклад Ni2+:MgF2(? = 1,62 мкм …1,8 мкм )

• Ф. Ділл, В. Говард та інші отримали неперервну стимульовану еміссію в
GaAs діодах при температурі від 2 K до 77 K (? = 840 нм)

• Н.Г. Басов і А.Н. Ораєвський висловили ідею теплового накачування

• Г. Херд створив перший азотний лазер

• Г. Кроемер, Ж.І. Алферов і Р.Ф. Казарінов запропонували подвійні
гетероструктури для лазерних діодів

• Р. Нойман запропонував збуджувати твердотільні середовища за допомогою
лазерних діодів

• M. Коупланд застосував GaAs діод як оптичний підсилювач

1964 • Дж. Ґойзік та інші отримали стимульовану емісію на 1,064 мкм в
Nd:YAG-лазері (Nd3+:Y3Al5O12)

• К. Пател побудував перші лазери на CO2-газі

• Л. Харгроу, Р.Рорк і М. Поллак отримали синхронізацію мод в He-Ne
лазері з тривалістю пічка 600 пс

• В. Бріджес реалізував аргон-іонний лазер (? = 488 нм, ? = 514 нм),
ксеноновий і криптоновий лазер

• Г. Ґеббі створив 337-мкм-HCN-лазер, перший ефективний субмілліметровий
лазер

• Р. Кайес і Т. Квіст побудували перший твердотільний лазер з накачкою
лазерними діодами (U3+:CaF2-кристал збуджувався GaAs-діодами) з робочою
температурою 4,2 K

• П. Кафалас, Б. Соффер і П. Сверокін реалізували пасивну модуляцію
добротності з допомогою насиченого абсорбера

1965 • Дж. Каспер і Дж. Піментал винайшли хімічний лазер на HCl,
імпульсний з оптичним ініціюванням (? = 3,5 мкм)

• Б.Фрітц і Е. Менке створили перший лазер на центрах забарвлення на
KCl:Li/Fa-кристалі (? = 2,7 мкм)

• Дж. Жордмейн і Р. Міллер створили перший параметричний осцилятор на
LiNbO3-кристалі

1966 • В.К. Конюхов, О.М. Прохоров; Р. Кантровітц та інші реалізували
перший газодинамічний CO2-лазер

• П.П. Сорокін і Дж. Р. Ланкард побудували перший імпульсний лазер на
барвниках з накачкою лазером на рубіні (? = 756 нм)

• В. Сільфаст, Ґ. Фовлс реалізовують перший лазер на парах металів
Zn/Cd-лазер

• В.Т. Волтер побудував перший лазер на парах міді (? = 510,6 нм і ? =
578,2 нм)

1967 • Ф.К. Кнойбюль та інші реалізували хвилепровідний газовий лазер на
HCN-молекулах (? = 337 мкм)

• Т.Ф. Дойтч, К.Л. Компа і Ґ С. Піментель побудували перший
фтороводневий (HF) лазер

1968 • Ж.І. Алферов та інші створили напівпровідниковий лазер на
подвійній гетероструктурі з генерацією в імпульсному режимі

• M. Росс реалізував перший Nd:YAG-лазер з накачкою лазерними діодами

• В.Т. Волтер побудував перший лазер на парах золота (? = 637,8 нм)

1969 • В.Б. Тіфанні та інші побудували перший кіловатний CO2-лазер

• Т.А. Кул і Р.Р. Тефенс відкрили чисто хімічний лазер на HCl
неперервної дії

1970 • O. Петерсон на інші отримали неперервне випромінювання на
родаміні 6G

• Н.Г. Басов та інші побудували перший ексимерний лазер на Xe*2

• T. Чанг і T. Бріджес побудували 496-мкм -CH3F-лазер

• Ж. Алферов та інші побудували перші лазерні діоди на подвійних
гетероструктурах з неперервною генерацією при кімнатній температурі

• І. Хаяші, М. Паніш на інші побудували лазерні діоди з неперервною
генерацією при кімнатній температурі

• Л. Есакі та Р. Тсу отримали перші квантові хвилеві структури

1971 • Г. Когельник і С. Шанк винайшли лазер на барвниках з розподіленим
зворотнім звязком (Distributed Feedback)

1973 • M. Накамура і А .Ярів створили перший DFB напівпровідниковий
лазер

1974 • Г. Маровський використав кільцевий резонатор для запобігання
„spatial hole burning”-ефекту

• А.І. Гудзенко і С.І. Яковенко запропонували реактор-лазер

1975 • T. Генш, А. Шавлов, Д. Вінеланд і Г. Демельт запропонували
охолодження атомних променів за допомогою лазерів

1976 • Дж. Гсіех побудував неперервні InGaAsP-лазерні діоди (? = 1,25
мкм)

1977 • Дж. Мадейс та інші свторюють перший лазер на вільних електронах

1978 • Дж. Валлінґ побудував твердотільний лазер на александриті
(BeAl2O4:Cr3+) з неперервною перебудовою в діапазоні 710 – 820 нм

• В. Мак Дермотт, Н. Пчелкин та інші створили чисто хімічний лазер на
електронних переходах в йоді (? = 1,315 мкм)

1979 • Е. Аффолтер і Ф. Кнойбюль побудували газовий лазер з розподіленим
зворотнім звязком (DFB)

• Х. Сода та інші створили перші поверхнево-емітуючі лазерні діоди
(Vertical Cavity Surface Emitting Lasers)

1980 • Л. Молленауер, Р. Стоулен, Дж. Ґордон вперше спостерігали
солітони в оптичних волокнах

• Ц. Бор отримав короткі імпульси за допомогою лазера на барвниках

1981 • Ф. Кояма та інші побудували GaInAsP/InP-лазерні діоди з
розподіленим рефлектором Бреґґа (Distributed Bragg Reflector)

1982 • П. Моултон побудував перший Ti:сапфір-лазер (Ti3+:Al2O3) з
перебудовою хвиль між 670 нм і 1079 нм

1983 • Л. Молленауер, Р. Стоулен побудував перший лазер на солітонах

1985 • Д. Меттьюс та інші відкрили рентгенівський лазер з 15 нм
випромінюванням

• Т. Кейн і Р. Бейр створили монолітний кільцевий YAG-лазер з діодною
накачкою

1987 • Д. Пейн відкрив ербієвий підсилювач з робочою довжиною хвилі 1,55
мкм (Erbium Doped Fiber Amplifier )

1988 • С. Пейн та інші побудували перший Cr:LiCaF-лазер з перебудовою
довжини хвилі в діапазоні 720 нм і 840 нм

1989 • С. Пейн та інші побудували перший Cr:LiCaF-лазер з перебудовою
довжини хвилі в діапазоні 780 нм і 920 нм

1991 • М. Гаазе та інші отримали короткочасну генерацію з
голубо-зеленого лазерного діода на базі селеніду цинку

1992 • Ґ.Ґріін, Ґ. Ляйзінґ та інші створили перший органічний полімерний
світлодіод з голубим випромінюванням

1994 • K. Ан та інші відкрили перший лазер на одному атомі (? = 791 нм)

1995 • М. Андерсон та інші; К. Дейвіс та інші вперше спостерігають
конденсат Бозе-Ейнштейна в атомарних газах

1996 • С. Накамура створив перші ефективні голубі лазерні діоди на базі
нітриду галію

• Р. Френд побудував полімерний лазер з оптичною накачкою

1999 • В. Кеттерлє та інші; К. Моцума та інші відкрили перший атомний
лазер – когерентне підсилення матеріальних хвиль при проходженні
атомного резевруару

Похожие документы
Обсуждение
    Заказать реферат
    UkrReferat.com. Всі права захищені. 2000-2019