ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ЛАЗЕРОВ

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования СШ№ 9

 

Лазеры и их применение

Выполнил ученик 11 «А» класса

Иванов Иван Иванович

Г. Лида

Г.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение --------------------------------------------------------------------------------------------3

Глава 1. Принцип действия лазера -------------------------------------------------------- 5

Глава 2. Области применения лазеров ---------------------------------------------------10

2.1) Применение лазеров в промышленности ------------------------------------------10

2.2) Использование лазеров в информационных технологиях ------------------- 11

2.3) Применение лазеров в медицине -----------------------------------------------------13

2.3.1) Лазеры в хирургии ---------------------------------------------------------------------14

2.3.2) Лазеры в эндодонтии ------------------------------------------------------------------16

2.3.3) Лазерное отбеливание зубов ---------------------------------------------------------17

Заключение -------------------------------------------------------------------------------------- 18

Приложение 1. Схема рубинового лазера -----------------------------------------------19

Литература ---------------------------------------------------------------------------------------20

ВВЕДЕНИЕ

Одним из крупнейших достижений науки и техники XX века, наряду с другими открытиями, является создание генераторов индуцированного электромагнитного излучения - лазеров. В основу их работы положено явление усиления электромаг­нитных колебаний при помощи вынужденного, индуцированного излучения ато­мов и молекул, которое было предсказано еще в 1917 г. Альбертом Эйнштейном при изучении им равновесия между энергией атомных систем и их излучением. С этого времени, пожалуй, и начинается история создания лазеров.

В 1940 г., анализируя спектр газового разряда, советский ученый В.А. Фабрикант указал, что, используя явление индуцированного излучения, мож­но добиться усиления света. В 1951 г., совместно с учеными Ф.А. Бутаевой и М.М. Вудынским, он провел первые опыты в этом направлении.

В 1952 г. ученые трех стран одновременно - в Советском Союзе Н.Г. Басов и А.М. Прохоров, в Соединенных Штатах Америки Ч. Таунс, Дж. Гордон, X. Цайгер и в Канаде Дж. Вебер - независимо друг от друга предложили основанный на ис­пользовании явления индуцированного излучения новый принцип генерации и усиления сверхвысокочастотных электромагнитных колебаний. Это позволило создать квантовые генераторы сантиметрового и дециметрового диапазонов, из­вестные сейчас под названием мазеров, которые обладали очень высокой стабиль­ностью частоты. Использование мазеров в качестве усилителей позволило повы­сить чувствительность приемной радиоаппаратуры в сотни раз. Сначала в кванто­вых генераторах использовались двухуровневые энергетические системы и про­странственная сортировка молекул с различными энергетическими уровнями в не­однородном электрическом поле. В 1955 г. Н. Г. Басов и А. М. Прохоров предло­жили использовать для получения неравновесного состояния частиц трехуровне­вые энергетические квантовые системы и внешнее электромагнитное поле для возбуждения.

В 1958 г. была рассмотрена возможность применения этого метода для созда­ния генераторов оптического диапазона (в СССР - Н.Г. Басов. Б.М. Вул, Ю. М. Попов, А. Н. Прохоров; в США - Ч. Таунс и А. Шавлов).

Опираясь на результаты этих исследований, Т. Мейман (США) в декабре 1960 г. построил первый успешно работавший оптический квантовый генератор, в ко­тором в качестве активного вещества был использован синтетический рубин. С созданием оптического квантового генератора на рубине возникло слово «лазер» (lаsеr), что в переводе означает «усиление света с помощью индуцированного излучения».

Через год, в 1961 г., американские ученые А. Джаван, В. Беннет и Д. Герриотт построили газовый лазер, в котором в качестве активного вещества применялась

смесь газов гелия и неона. Возбуждение активного вещества лазера производилось электромагнитным полем высокочастотного генератора. Режим работы этого ла­зера был непрерывным.

В 1962 г. в Советском Союзе и в Соединенных Штатах Америки получили ин­дуцированное излучение в полупроводниковом диоде, что означало создание по­лупроводникового лазера. Впервые на возможность использования полупроводни­ков в качестве активного вещества в лазерах указали еще в 1959 г. советские уче­ные Н. Г. Басов, Б. М. Вул, Ю. М. Попов. Большая заслуга в создании полупро­водникового лазера принадлежит также американскому ученому Р. Холлу. Полу­проводниковый лазер возбуждается непосредственно электрическим током. Он работает как в импульсном, так и в непрерывном режиме.

В настоящее время удалось получить генерацию с ис­пользованием обычных паров воды и даже воздуха. Создан новый класс газовых лазеров — так называемые ионные лазеры.

В чем же все-таки главная ценность этих приборов? В том, что излучение лазе­ров обладает рядом замечательных свойств. В отличие от света, испускаемого обычными источниками, оно когерентно в пространстве и времени, монохрома-тично, распространяется очень узким пучком и характеризуется чрезвычайно вы­сокой концентрацией энергии, которая еще недавно казалась фантастической. Это дает возможность ученым использовать световой луч лазера в качестве тончайше­го инструмента для исследований различных веществ, выяснения особенностей строения атомов и молекул, уточнения природы их взаимодействия.

Глава 1.

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ЛАЗЕРА

Лазеры обычно называют оптическими квантовыми генераторами. Уже из это­го названия видно, что в основе работы лазеров лежат процессы, подчиняющиеся законам квантовой механики. Согласно квантово-механическим представлениям, атом, как, впрочем, и другие частицы (молекулы, ионы и др.) поглощают и излу­чают энергию определёнными порциями - квантами. При обычных условиях в отсутствии каких-либо внешних воздействий атом находится в невозбуждённом со­стоянии, соответствующем более низкому из возможных энергетическому уровню. В таком состоянии атом не способен излучать энергию. При поглощении кванта энергии атом переходит на более высокий энергетический уровень, то есть возбуждается. Переход атома с одного энергетического уровня на другой проис­ходит дискретно, минуя все промежуточные состояния. Время нахождения атома в возбуждённом состоянии ограничено и в большинстве случаев невелико. Излу­чая энергию атом переходит снова в основное состояние. Этот переход осуществ­ляется самопроизвольно, в отличие от процесса поглощения квантов, которое яв­ляется вынужденным (индуцированным).

Лазеры генерируют излучение в инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой областях спектра, что соответствует диапазону электромагнитных волн, называе­мому светом. В связи с этим наиболее интересным представляется рассмотрение механизма взаимодействия атомов именно с этой частью спектра электромагнит­ных излучений. Свет, как известно, имеет двойственную природу: с одной сторо­ны - это волна, характеризующаяся определённой частотой, амплитудой и фазой колебаний, с другой стороны - поток элементарных частиц, называемых фотона­ми. Каждый фотон представляет собой квант световой энергии. Энергия фотона прямо пропорциональна частоте световой волны, которая, в свою очередь, опреде­ляет цвет светового излучения.

Поглощая фотон, атом переходит с более низкого энергетического уровня на более высокий. При самопроизвольном переходе на более низкий уровень атом испускает фотон. Для атомов конкретного химического элемента разрешены толь­ко совершенно определённые переходы между энергетическими уровнями. В следствие этого атомы поглощают только те фотоны, энергия которых в точности соответствует энергии перехода атома с одного энергетического уровня на другой. Визуально это проявляется в существовании для каждого химического элемента индивидуальных спектров поглощения, содержащих определённый набор цветных полос. Фотон, испускаемый атомом при переходе на более низкий энергетический уровень, так же обладает совершенно определённой энергией, соответствующей разности энергий между энергетическими уровнями. По этой причине атомы спо­собны излучать световые волны только определённых частот. Этот эффект на­глядно проявляется при работе люминесцентных ламп, часто используемых в уличной рекламе. Полость такой лампы заполнена каким-либо инертным газом, атомы которого возбуждаются ультрафиолетовым излучением, которое возникает при пропускании электрического тока через специальный слой, покрывающий внутреннюю поверхность оболочки лампы. Возвращаясь в основное состояние атомы газа дают свечение определённого цвета. Так, например, неон даёт красное свечение, а аргон - зелёное.

Самопроизвольные (спонтанные) переходы атомов с более высокого энергети­ческого уровня на более низкий носят случайный характер. Генерируемое при этом излучение не обладает свойствами лазерного излучения: параллельностью световых пучков, когерентностью (согласованностью амплитуд и фаз колебаний во времени и пространстве), монохромностью (строгой одноцветностью). Однако, ещё в 1917 году Альберт Эйнштейн предсказал существование наряду со спонтан­ными переходами на более низкий энергетический уровень индуцированных переходов. В последствии эта возможность была реализована в конструкции лазеров. Сущность этого явления состоит в том, что фотон светового потока, встречая на своём пути возбуждённый атом выбивает из него фотон с точно такими же харак­теристиками. В результате число одинаковых фотонов удваивается. Вновь образо­вавшийся фотон, в свою очередь, способен генерировать ещё один фотон, выбивая его из другого возбуждённого атома. Таким образом, число одинаковых фотонов лавинообразно нарастает. Генерируемое при этом излучение характеризуется вы­сокой степенью параллельности пучков светового потока, когерентности и монохромности, так как в нём присутствуют только те фотоны, которые обладают оди­наковой энергией и направлением движения.

Очевидно, что индуцированное излучение может возникать только в тех сис­темах, где число возбуждённых атомов достаточно велико. На практике число возбуждённых атомов должно превышать 50% от общего числа атомов в системе. В равновесных системах достижение этого условия невозможно, так как число пе­реходов с ниже лежащего уровня на выше лежащий равно числу обратных пере­ходов. Для получения эффекта индуцированного излучения систему необходимо перевести в неравновесное, а, следовательно, неустойчивое состояние. Кроме того интенсивность внешнего светового потока, предоставляющего исходные фотоны для начала процесса так же должна быть достаточной. Рассмотрим каким образом реализуются эти требования на примере конструкции лазера, построенного с ис­пользованием искусственно выращенного кристалла рубина, называемого, обыч­но, рубиновым лазером.

Лазер состоит из трех основных частей: активного (рабочего) вещества, резонансной системы, представляющей две параллельные пластины с нанесенными на них отражающими покрытиями, и системы возбуждения (накачки), в качестве ко­торой обычно используется ксеноновая лампа-вспышка с источником питания (рис. 1. Приложение 1).

Рубин представляет собой окись алюминия, в которой часть атомов алюминия замещена атомами хрома (А12ОЗ*Сг2ОЗ) Активным веществом служат ионы хро­ма Сг3+. От содержания хрома в кристалле зависит его окраска. Обычно используется бледно-розовый рубин, содержащий около 0,05% хрома. Рубиновый кристалл выращивают в специальных печах, затем полученную заготовку отжигают и обра­батывают, придавая ей форму стержня. Длина стержня колеблется от 2 до 30 см, диаметр от 0,5 до 2 см. Плоские торцовые концы делают строго параллельными, шлифуют и полируют с высокой точностью. Иногда отражающие поверхности на­носят не на отдельные отражающие пластины, а непосредственно на торцы руби­нового стержня. Поверхности торцов серебрят, причем поверхность одного торца делают полностью отражающей, другого - отражающей частично. Обычно ко­эффициент пропускания света второго торца составляет около 10—25%, но может быть и другим.

Рубиновый стержень помещают в спиральную импульсную ксеноновую лампу, витки которой охватывают его со всех сторон. Вспышка лампы длится миллисе­кунды. За это время лампа потребляет энергию в несколько тысяч джоулей, боль­шая часть которой уходит на нагревание прибора. Другая, меньшая часть, в виде голубого и зеленого излучения поглощается рубином. Эта энергия и обеспечивает возбуждение ионов хрома.

На рис. 2 представлена энергетическая диаграмма, поясняющая принцип рабо­ты рубинового лазера. Линии 1,2,3 соответствуют энергетическим уровням ионов хрома.

 

Рис 2. Схема энергетических уровней рубинового лазера.

В нормальном, невозбужденном состоянии ионы хрома находятся на нижнем уровне 1. При облучении рубина светом ксеноновой лампы, содержащим зеленую часть спектра, атомы хрома возбуждаются и переходят на верхний уровень 3, со­ответствующий поглощению света длиной волны 5600 А. Ширина полосы погло­щения этого уровня составляет около 800 А.

С уровня 3 часть возбужденных атомов хрома снова возвращается на основной уровень 1, а часть переходит на уровень 2. Это так называемый безызлучательный переход, при котором ионы хрома отдают часть своей энергии кристаллической решетке в виде тепла. Вероятность перехода с уровня 3 на уровень 2 в 200 раз больше, а с уровня 2 на уровень 1 в 300 раз меньше, чем с уровня 3 на уровень 1. Это приводит к тому, что уровень 2 оказывается более заселенным, чем уровень 1. Иными словами, заселенность получается инверсной и создаются необходимые условия для интенсивных индуцированных переходов.

Такая система крайне неустойчива. Вероятность спонтанных переходов в лю­бой момент времени очень велика. Первый же фотон, появившийся при спонтанном переходе, по закону индуцированного излучения выбьет из соседнего атома второй фотон, переведя излучивший атом в основное состояние. Далее эти два фо­тона выбьют еще два, после чего их будет четыре, и т. д. Процесс нарастает прак­тически мгновенно. Первая волна излучения, дойдя до отражающей поверхности, повернет обратно и вызовет дальнейшее увеличение числа индуцированных пере­ходов и интенсивности излучения. Отражение от отражающих поверхностей резо­натора повторится многократно, и если потери мощности при отражении, вызы­ваемые несовершенством отражающих покрытий, а также полупрозрачностью од­ного из торцов стержня, через который уже в начале генерации будет вырываться поток излучения, не будут превосходить той мощности, которую приобретает в результате начавшейся генерации формирующийся в стержне лазера луч, то гене­рация будет нарастать, а мощность увеличиваться до тех пор, пока большинство возбужденных частиц активного вещества (ионов хрома) не отдадут свою энер­гию, приобретенную в момент возбуждения. Через частично посеребренный торец стержня вырвется луч очень высокой интенсивности. Направление луча будет строго параллельно оси рубина.

Те фотоны, направление распространения которых в начале их возникновения не совпало с осью стержня, уйдут через боковые стенки стержня, не вызвав сколь­ко-нибудь заметной генерации.

Именно многократное прохождение образованной световой волны между тор­цовыми стенками резонатора без какого-либо существенного отклонения от оси стержня обеспечивает лучу строгую направленность и выходную мощ­ность.

Глава 2

ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ЛАЗЕРОВ

Уникальные свойства лазерного луча, многообразие конструкций современных лазеров и устройств на их основе обуславливают широкое применение лазерных технологий в различных областях человеческой деятельности: промышленности, науке, медицине и быту. Появление лазеров и внедрение их во многие отрасли промышленности и науки произвело в этих отраслях в буквальном смысле рево­люцию. Благодаря этому стало возможным развитие новых более эффективных технологий, повышение производительности труда, точности измерений и качест­ва обработки материалов. Рассмотрим здесь лишь наиболее важные области при­менения лазерной техники.