Что такое лазер?

Исаак Ньютон считал, что свет состоит из мельчайших частиц - корпускул, а его оппонент Христиан Г юйгенс считал, что из волн. Прошло больше трехсот лет, а люди до сих пор не знают ответа. Не разрешив спора, ученые мужи пришли к компромиссу - корпускулярно-волновой теории света. Корпускулу назвали фотоном, волну - квантом, изучили свойства света, но спор так и не разрешили.

В процессе изучения электромагнитных волн (от сантиметрового до микрометрового диапазона длин волн) было обнаружено, что некоторые вещества (твердые, жидкие или газообразные) под воздействием внешнего возбуждающего излучения или электричества испускают структурированный свет, имеющий одну длину волны, направление распространения и фазу.

Проще говоря, это то самое явление резонанса, которое мы знаем из школьного курса физики. Помните пример про мост? По мосту марширует рота солдат. Они идут в ногу, в определенном ритме. И это постоянно усиливающееся колебание приводит к обрушению моста, который в принципе рассчитан даже на проезд грузовиков. То же самое происходит и со светом. Огромное количество световых волн различных длины, фазы и направления не оказывают существенного влияния на нас с вами и даже порой полезны.

Под влиянием импульса внешнего источника энергии в активной среде атомы переходят в возбужденное состояние, то есть их электроны занимают энергетически более высокое положение. Затем электроны сами возвращаются в старое положение, при этом излучая квант света. Этот квант проходит через соседний атом, возбуждая его. Получается уже два кванта света. Начинается цепная реакция, усиливаемая тем, что активную среду окружают зеркальные поверхности. Отраженные от них кванты света стимулируют дальнейшее развитие цепной реакции, приводящей к вырастанию уровня мощности излучения до необходимых размеров. При этом все кванты имеют одно направление, одну фазу и длину волны, так как были генерированы атомами одного вещества.

Именно такое излучение назвали сначала оптическими мазерами (мазер -квантовый генератор электромагнитного излучения в сантиметровом диапазоне), затем оптическими квантовыми генераторами, а теперь лазерами. Лазер - усиление света посредством вынужденного излучения (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation).

2. Автоматическая система слежения за движениями глаза пациента.

Компьютеры по быстроте и качеству реакции не только обогнали чемпионов мира по шахматам, но и практически догнали человеческий глаз. Раньше во время операции хирург корректировал место попадания луча на роговицу в зависимости от движений глазного яблока пациента. Сейчас этим занимается автотрекинг - автоматическая система слежения. Ее реакция быстрее человеческой. Она двигает «голову» эксимерного аппарата, включающую в себя операционный микроскоп и часть доставляющей излучение системы, вслед за мелкими движениями глаза пациента, а при слишком быстром или размашистом движении автоматически прерывает действие лазера.

Автотрекинг резко снижает возможность возникновения такого осложнения, как децентровка зоны лазерного воздействия, то есть появление у пациента после коррекции нерегулярного астигматизма. Также эта система помогает хирургу навести лазер на оптический центр роговицы перед проведением лазерной коррекции.

3. Система эвакуации воздуха с продуктами лазерного испарения из области операционного поля.

Это такой маленький пылесос, удаляющий из воздуха над глазом пациента микропыль, в которую под действием лазера превращается ткань роговицы. Эта пыль мешает прохождению излучения через воздух, что снижает предсказуемость результата лазерной коррекции.

Если аппарат удовлетворяет перечисленным требованиям, значит лазерную коррекцию на нем можно провести на современном уровне.

Есть ли отечественные эксимерные лазеры

МНТК Микрохирургии глаза совместно с Институтом общей физики Академии наук СССР в 1986 г. создали эксимерный лазер Профиль-500, а недавно совместно с Центром физического приборостроения Института общей физики российской Академии наук усовершенствовали его и назвали МикроСкан-2000. МикроСкан соответствует мировым стандартам, но применяется в немногих клиниках. Надеюсь, в дальнейшем такое положение вещей изменится.

Сколько стоит лазерная система?

Дорого, хотя цены постоянно снижаются. Было время, когда стоимость переваливала за миллион долларов США. Сейчас это несколько сот тысяч долларов. К тому же достаточно дороги расходные материалы для лазера и его техническое обслуживание. Периодически необходимо очищать зеркала, менять баллоны с газом, проводить диагностику других систем аппарата. И от изнашивания и поломки деталей никто не застрахован. Необходима постоянная работа с лазером специализированного инженера. Все это увеличивает себестоимость лазерной коррекции.

Лазерная операционная

Двенадцать лет назад появилась информация о том, что в одном из городов США проводится лазерная коррекция на территории универмага и без участия врача. Опыт не прижился, лазерную коррекцию не удалось низвести до уровня протирки очков. Напротив, с развитием методов лазерной коррекции требования к помещению, в котором она проводится, стали более строгими. Необходимы стерильные условия, контроль за температурой, влажностью, чистотой воздуха.

Поверхности в операционной не должны быть зеркальными, что исключает использование блестящих кафеля и жалюзи, стекол, зеркал, потому что отраженное лазерное излучение опасно.

Наш воздух

Воздух должен быть чистым. Любая пыль или летучие соединения могут сказаться на качестве прохождения луча через воздух. Поэтому пациент должен воздерживаться от курения и употребления духов и дезодорантов перед коррекцией. Система вентиляции должна иметь качественные фильтры. Кроме того, объем оттока воздуха должен быть меньше, чем притока. Тогда при открытии двери чистый воздух будет под некоторым давлением вырываться из операционной, не впуская грязный воздух из предоперационной и выдувая пыль наружу. То же самое и с возможными щелями. Качественная вентиляция способствует стабильной и долгой работе эксимерлазерной установки. Но дверь в операционную открывать во время работы лазера даже при хорошей вентиляции нежелательно.

Главный параметр качественной вентиляции - это десятикратный обмен воздуха. То есть за час объем воздуха должен поменяться десять раз. Например, в комнату объемом 500 кубометров вентиляция за один час должна доставить 5000 кубометров воздуха. Проверяется это достаточно просто с помощью анемометра.

Наше электричество

Наше электричество, как наши дороги, - гладкие встречаются крайне редко. Так же и электричество. Колебания напряжения - еще полбеды. Про это многие слышали. А вот про структуру нашего переменного тока в электросети вспоминают не все. График, отражающий структуру российского переменного тока, мягко говоря, очень неровный. А любые «неровности» переменного тока могут нарушить стабильность работы лазера, отключить его или сломать. Не говоря уж о возможности внезапного отключения электричества во время операции.

Поэтому неотъемлемым атрибутом лазерной установки должен быть «бесперебойник».

Его функции:

В случае внезапного падения напряжения в электросети позволить еще в среднем полчаса работать всем электроприборам в операционной;

Не допускать колебаний напряжения;

Выравнивать структуру переменного тока. Это достигается с помощью трансформации получаемого из электросети переменного тока в постоянный, а затем снова формирования переменного, но уже ровного по структуре.

Температура и влажность

Стабильная плюсовая температура и невысокая влажность - залог качества медицинских манипуляций. Рекомендуемая температура эксплуатации лазера составляет от 19 до 23 °C. Поэтому кондиционер тоже должен быть высококачественным и обеспечивать полный климат-контроль.

Влажность - не более 70 %. Без резких перепадов во время операционного дня, особенно между калибровками лазера. Соответственно, двери в операционную следует открывать как можно реже, количество людей в ней ограничивать и во время операционного дня не менять, потому что каждый новый человек повышает температуру, и особенно влажность.

Статья из книги: .

Оптические системы формирования лазерного излучения в технологических установках

Назначение оптических систем в лазерных установках состоит в следующем:

– изготовление оптических резонаторов и получение лазерных излучения,

– передача энергии излучения лазера к месту обработки,

– регулирование параметров излучения,

– формирование светового пучка с высокой плотностью мощности (фокусировка),

– наводка излучения на обрабатываемую точку,

– контроль за процессом обработки и оценка ее результатов.

Оптические системы содержат следующие основные элементы:

– фокусирующие – линзы, объективы,

– отражающие элементы – зеркала, сканаторы,

– преломляющие – призмы полного отражения, оптические дефлекторы (устройства позволяющие расщеплять один луч на несколько лучей),

– регулирующие излучения – оптические затворы и др.,

– передающие световоды.

Фокусирующие элементы служат для изменения диаметра пучка лазерного излучателя с целью изменения плотности мощности излучения. В технологических установках, как правило, требуется уменьшать диаметр пучка и повышать плотность энергии мощности излучения, т.е. фокусировать излучение.

Наиболее простой и широко применяемый способ фокусировки излучения – применение одиночной линзы (рис.), где f – фокусное расстояние, F – фокальная плоскость оптической системы.

Из-за того, что лазерное излучение обладает определенной расходимостью (хотя и очень малой), оно может быть сфокусировано (уменьшено) до вполне определенного размера. Диаметр светового пятна излучения имеет наименьшее значение в фокальной плоскости F и определяется по формуле:

Подставляя выражение для θ получаем

(2.38)

На практике наблюдается искажение фокусировки(аберрации)

С учетом сферических аберраций

, (2.39)

где P* – расчетный параметр (определяется размерами и формой линзы).

Зная энергию или мощность лазерного излучения W и, P и, можно рассчитать плотность энергии или мощность в сфокусированном пятне:

; . (2.40)

Ранее (см. свойства лазерного излучения) проводили оценку этих величин исходя из диаметра лазерного излучения. При фокусировке эти параметры возрастают на несколько порядков. На практике обычно стремятся к уменьшению диаметра пятна излучения.

Из формулы (2.39) видно, что для уменьшения диаметра сфокусированного пятна излучения необходимо уменьшать фокусное расстояние. Однако, это можно делать лишь до определенных пределов, т.к. при слишком малом расстоянии между линзой и поверхностью фокусировки возникает опасность повреждения линзы (например, парами и жидкими частицами обрабатываемого материала).

Поэтому для получения пятна диаметром в несколько микрон применяют другой способ – увеличение диаметра пучка с помощью телескопической системы – см.(2.39).

Диаметр светового пятна в этом случае определяется с учетом (2.39) по следующей формуле:

,

где Г>1 – увеличение телескопической системы.

Оптимальное фокусное расстояние линзы (при котором достигается наименьший диаметр сфокусированного пятна) может быть определено по формуле:

(2.41)

При прохождении лазерного излучения происходит нагревание линз оптической системы вследствие частичного поглощения излучения. Это может привести к термическим деформациям и повреждениям оптической системы. Поэтому плотность мощности излучения не должна превышать определенных значений, допускающих длительную нормальную работу деталей оптической системы.

Допустимая плотность мощности зависит от материала, из которого изготавливаются спицы и длины волны излучения.

– для фокусировки излучения с длиной волны 0.4 – 2 мкм (видимый и ближний инфракрасный спектры) применяют линзы, изготовленные из различных сортов оптического стекла. Допустимая плотность мощности составляет ~ 10 3 Вт/см 2 .

– для излучения с длиной волны 10.6 мкм

(CO 2 – лазеры) обычные оптические материалы непрозрачны. Материалами для изготовления линз служат:

– монокристаллы солей галогеноводородных кислот – NaCl, KBr, KCl и др.

Допустимая плотность мощности ~ 10 3 Вт/см 2 . Обладают высокой гигроскопичостью и малым сроком службы.

– полупроводниковые кристаллы – германий, арсенид галлия и др. Допустимая плотность мощности 100 Вт/см 2 .

При мощности излучения, превышающей допустимую, применяют либо принудительное воздушное или жидкостное охлаждение линз, либо Фокусирующие системы из зеркал с металлическими покрытиями на металлической основе(с целью лучшего охлаждения). Основа – стекло, медь, кремний. Покрытие – золото, серебро, медь, никель, молибден, алюминий и др.

Отражающие и преломляющие элементы оптических систем служат для изменения направления лазерного излучения. Применяются в оптических резонаторах и системах транспортировки лазерного излучения.

При длине волны лазерного излучения 0.4 – 2 мкм для этой цели применяют призмы полного внутреннего отражения и зеркала с многослойным диэлектрическим покрытием (для увеличения коэффициента отражения и уменьшения расстояния).

При длине волны излучения 10.6 мкм. применяют зеркала плоские, выпуклые, вогнутые с металлическим покрытием (из золота и алюминия), которые имеют высокий коэффициент отражения (~1). Изменяя плотность покрытий можно изменять коэффициент отражения, т.е. изготавливать полупрозрачные зеркала.

На практике часто возникает задача по перемещению лазерного луча по произвольному контуру. Для этого применяют систему подвижных плоских зеркал (см. рис.).

1 – излучатель лазера

2,3 – подвижные зеркала

4 – линза

5 – материал

По оси Х перемещаются зеркала 2 и 3 и линза 4 совместно, а по оси У могут двигаться только зеркало 3 и линза 4.

Одновременное перемещение по осям Х и У позволяет получать любую траекторию луча.

С применением зеркал изготавливаются системы сканирования лазерного луча, т.е. периодического перемещения его по одной и той же траектории.

Регулирующие элементы оптических систем предназначены для изменения энергии, мощности лазерного излучения, его пространственных и временных характеристик. К ним относятся

– оптические квантовые усилители – устройства, позволяющие увеличивать энергию лазерного импульсного излучения. Фактически это лазеры, в которых генерируются не самопроизвольно, а под действием излучения другого лазера. В результате к энергии импульса инициирующего излучения добавляется энергия излучения оптического усилителя.

– устройства для регулировки мощности излучения от нуля до номинального значения – диаграммы с переменным диаметром отверстия, сменные светофильтры с различными коэффициентами поглощения, оптические затворы, модуляторы, заслонки.

В качестве затворов модуляторов применяют следующие типы затворов

– электрооптический (эффект Понкельса), основан на явлении плоскости поляризации некоторыми веществами под действием высокого постоянного напряжения до 5кВ.

– механические затворы – вращающиеся зеркала до 30000 об/мин.

– затворы на насыщающихся затворах, основаны на явлении: при некотором значении интенсивности излучения некоторые органические красители становятся прозрачными.

– акустооптические затворы, кварцевое стекло и германий(для ИК диапазона) при воздействии ультразвуковых волн сопровождаются большими потерями(рассеяниями) для лазерного излучения и его генерация прекращается.

Затворы устанавливаются в резонаторе. Кроме этого применяются механические заслонки на выходе лазерного излучения из резонатора.

Передающие элементы оптических систем предназначены для передачи лазерного излучения на расстояния вплоть до нескольких десятков км. – для этого применяют волоконные световоды .

В настоящее время известно большое количество световодов. Наиболее широкое применение получили световоды следующей конструкции

Волоконный световод состоит из сердечника 1 с показателем преломления n 1 , оболочки 2 с показателем преломления n 2 >n 1 и защитной оболочки 3. Материалы применяемые для изготовления: сердечник например, из кварца с добавкой титана, чтобы повысить показатель преломления, оболочка из чистого кварца. Вообще для изготовления этих элементов световодов применяют, в настоящее время, большое количество различных сортов стекол и полимеров; для защитной оболочки применяют различные лаки, полимеры, металлы, она обеспечивает защиту световода от воздействия внешней среды(влаги), повышает механическую прочность, улучшает оптические характеристики. Диаметр световода колеблется в пределах от нескольких десятков до нескольких сотен мкм. Сердечник имеет диаметр в пределе от нескольких мкм. до 1000 мкм. (1мм.).

В световодах используется явление внутреннего полного отражения (рис.). На границе раздела 2-х сред происходт явление преломления и отражения света. При переходе светового потока из среды с большим коэффициентом преломления n 1 в среду с n 2

. (2.42)

Таким образом, если при входе светового потока в сердечник световода он падает на границу раздела с оболочкой под углом ≥ θ кр, то этот поток распространяется только в пределах сердечника.

Важной характеристикой световода является – затухание эффективности свеового потока при распространении по световоду. В настоящее время созданы созданы световоды с затуханием ~ 1дБ/км.

Всегда ли свет распространяется по прямой линии?

Если луч света не встречает препятствий, он остаётся прямым. Если же световой поток сталкивается с каким-либо объектом или веществом, траектория движения луча меняется. Он способен проникать сквозь прозрачные объекты (стекло, вода), переходить из одной прозрачной среды в другую, но при этом будет отклоняться. Данное явление называется преломлением света. Непрозрачный объект (например, дверь) мешает проникновению света, и тогда луч отражается от его поверхности.

Световые лучи от нижней части соломинки (ниже поверхности воды) преломляются, когда проходят через воду, стекло и воздух. От верхней части соломинки лучи проходят только через воду и стекло, итак, луч проходит разные пути, поэтому преломление тоже разное.

Как быстро движется свет?

Скорость света самая большая из известных во Вселенной – почти 300 000 км/c. Все электромагнитные волны перемещаются столь же быстро, правда лишь тогда, когда оказываются в абсолютно пустом пространстве, то есть в вакууме. Скорость света снижается, когда он проходит сквозь прозрачное вещество.

Одна из теорий о пространстве и времени утверждает. Что если объект движется со скоростью, приблизительно равной скорости света, то течение времени для него замедляется. По достижении им скорости света время останавливается. Возможно, если бы скорость объекта была больше скорости света, время повернуло бы вспять, стало бы течь в прошлое. Тогда «кратчайшие» пути в космосе, названные пространственно-временными тоннелями, сделали бы реальными переходы со скоростью большей, чем скорость света.

Скорость света сильно меняется в зависимости от того, через какое вещество или среду он проходит.

Получение лазерного света

Слово «лазер» происходит от английского слова «laser», буквы которого являются начальными буквами словосочетания, переводимого как «усиление светового луча с помощью квантового генератора». Лазерный пучок получают посредством пропускания импульсов энергии через вещество, называемого активной средой. Подводимая энергия может быть электрической, тепловой или даже обычной световой. Атомы активной среды накапливают энергию, которая достигает определённого предела (порога) и извергается в виде вспышки лазерного света.

В чём отличие?

Свет, создаваемый лазером, относится к тому же виду электромагнитной волновой энергии, что и обычный свет. Но у него есть три характерные черты.

Лазерный свет

1. Все световые волны имеют одинаковую длину. Это значит, что все они одного цвета. Лазер испускает свет только одного чистого цвета.

2. Все гребни и подошвы волны одинаковые, равные, как волна гофрированного листового металла.

3. Все волны параллельны: они остаются на одном и том же расстоянии друг от друга, независимо от пройденного ими расстояния.

Обычный свет

1. То, что кажется одним цветом света, представлено смесью волн с разной длиной волны, это всегда комбинация нескольких цветов.

2. Гребни и подошвы волны перемешаны, а не выровнены.

3. Волны обычного света расходятся, поэтому весь пучок становится шире.

Этот проект посвящен исследованию свойств и особенностей лазерного излучения на практике, использованию лазера для создания несложных физических приборов. В работе изложено и описано устройство и физические принципы работы лазера, показана широкая область применения лазеров, в частности в космической отрасли.

Министерство общего и профессионального образования Свердловской области

Орган местного самоуправления

«Управление образования г. Каменска-Уральского»

Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа № 40»

Второй Молодежный космический форум «Семихатовские чтения»

Секция 1. Физика и познание мира

Проект

«Самодельные лазерные приборы»

Исполнитель:

Жеребятьев Илья Владимирович,

учащийся 9 класса

Руководитель:

Балашова Марина Эдуардовна,

учитель физики

Каменск-Уральский – Екатеринбург

Введение

На протяжении многих веков астрономия была лидером естествознания. Астрономические наблюдения послужили исходным фундаментом для открытия многих законов физики. Несколько лет назад радиоастрономы сделали любопытное открытие. Оказалось, что в межзвездной среде есть группы молекул ОН (гидроксильные группы). Излучение гидроксила подобно излучению лазера. Так что природа создала лазеры раньше, чем их изобрел человек.

В 2015 г. научная общественность отмечает 55-летие изобретения лазера.

Лазерное излучение обладает удивительными свойствами. Недаром фантастика предвосхитила его создание.

Работа над проектом включала в себя изучение истории изобретения лазера, принципа его работы, знакомство на практике со свойствами излучения и рассмотрение применения лазерных приборов в различных сферах деятельности человека, знакомство школьной общественности (учащиеся 1-11 классов, родители) с лазером.

Цель данной работы : изготовить приборы с использованием лазера: простейший сканатор и резонатор.

Задачи:

• изучить литературу по данной теме (теория лазера, история, применение);
• исследовать свойства и особенности лазерного излучения на практике;
• подобрать материалы для изготовления приборов.

Актуальность данной темы обусловлена постоянным ростом темпа развития лазерных технологий и их внедрения в нашу жизнь, в том числе в космическую отрасль.

Объект исследования: лазерное излучение.

Предмет исследования: возможность использования лазера для создания несложных физических приборов.

Основная часть

Что такое лазер. Основные свойства лазерного излучения

Слово "лазер" составлено из начальных букв в английском словосочетании Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, что в переводе на русский язык означает: усиление света посредством вынужденного испускания.

Лазер (оптический квантовый генератор) – это устройство, преобразующее энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию согласованного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения.

Основные свойства лазерного излучения: Монохроматичность (одноцветность) – все электромагнитные колебания потока имеют одинаковую частоту и длину волны. Характеризует ширину спектра излучения. Чем ширина спектра меньше, тем выше монохроматичность излучения. Когерентность – совпадение фаз электромагнитных колебаний. Характеризует меру согласования между фазами волн, образующими данное излучение. Два пучка называются когерентными, если разность фаз между волнами остается постоянной за время наблюдения.Свойство временной когерентности излучения лазеров используется в оптоэлектронных приборах для приема и передачи информации. Чем короче волна, тем больший объем информации может быть передан. Поляризация – фиксированная ориентация векторов электромагнитного излучения в пространстве относительно направления его распространения. Направленность – малая расходимость потока излучения, распространяется в пределах небольшого телесного угла. Высокая направленность обеспечивает максимальную плотность энергии на выходе прибора.

Благодаря своим свойствам, лазер стал одним из самых значимых изобретений XX века. Уникальные свойства лазерного излучения сделали квантовые генераторы незаменимым инструментом в самых разных областях науки и техники.

Из истории создания лазера

1900г. Немецкий ученый Макс Планк выдвигает смелую гипотезу квантованности излучения: вещество излучает и поглощает свет отдельными порциями (квантами). Энергия кванта Е = h∙ν, где h – постоянная Планка.

1913г. Нильс Бор, пытаясь объяснить планетарную модель атома Э. Резерфорда, сформулирует два постулата:

• Энергия атома квантована, т. е. может принимать ряд дискретных значений: Е 1 ,Е 2 ,Е 3 ,…Е n
• При переходе атома с уровня с энергией Е 2 на уровень с энергией Е 1 излучается квант (фотон) с энергией h ∙ ν = Е 2 – Е 1

1916г. Альберт Эйнштейн создает теорию взаимодействия излучения с веществом, и в 1917г. предсказывает возможность индуцированного (вынужденного) излучения атомами, из чего вытекает принципиальная возможность создания квантовых усилителей и генераторов электромагнитных волн.

1940г. Советский физик В. А. Фабрикант показывает возможность использования явления вынужденного излучения для усиления электромагнитных волн.

1954г. Ученые Николай Геннадиевич Басов и Александр Михайлович Прохоров и не зависимо от них американский физик Чарлз Таунс создают микроволновый квантовый генератор радиоволн с длиной волны 1,27 см («МАЗЕР»). За это изобретение они были удостоены Нобелевской премии.

1960г. Американский физик Теодор Майман сконструировал первый лазер на рубине с длиной волны в 0,69 мкм. Питер Сорокин и Мирек Стивенсон собрали инфракрасный лазер на фториде кальция с добавкой ионов урана. Али Джаван, Уильям Беннетт и Дональд Хэрриот продемонстрировали первый в мире газовый лазер на смеси гелия и неона, который повсеместно применяется и в наши дни.

Изобретение лазеров и их совершенствование идет и по сей день.

Теория лазера

Лазеры, как правило, состоят из трех частей (рис. 1):

Источник энергии или механизм накачки;

Рабочее тело;

За что отвечает каждая из этих частей:Система зеркал или оптический резонатор.

Источник энергии подает необходимую для работы устройства энергию. Такой первоначальной энергией может выступать и другой источник света, а также электрический разряд, химическая реакция и т.д.

Рабочее тело – вещество (газ, твердое, жидкость и даже плазма), в котором находятся атомы, излучающие когерентные фотоны. Определяет все наиболее важные характеристика лазера, такие как мощность, длину волны и др., что, в конечном итоге, определяет его практическое применение.

Оптический резонатор – это система зеркалдля сбора излучения в один узкий пучок.

Принцип действия

Чтобы процесс излучения когерентных фотонов произошел, рабочее тело подвергается энергетической накачке, которая приводит, к тому, что большая часть атомов, из которых состоит рабочее тело, перешли в возбужденное энергетическое состоянии. В этом состоянии переход к обратному – основному (не возбужденному) состоянию произойдет, если через атом пройдет фотон, соответствующий по своей энергии разнице между этими двумя состояниями атома. Таким образом, возбужденный атом, при переходе в основное состояние добавляет к «пролетавшему через него» фотону его точную копию. Таким образом, происходит усиление света .

Применение лазеров

С самого момента разработки лазер называли устройством, которое само ищет решаемые задачи. Лазеры нашли применение в самых различных областях — от коррекциизрения до управления транспортными средствами, откосмических полётов дотермоядерного синтеза . Примеры использования лазера: промышленность: резка, сварка, сверление, гравировка; медицина: хирургия, лазеротерапия; военное дело: прицелы, светолокаторы, СОИ; быт: принтер, DVD, передача данных; наука: нивелир, голография, автофокус.

Применение лазеров в космической отрасли

Учеными ведутся разработки инновационных способов передачи данных в космосе с помощью лазера .

Первым шагом в этой программе NASA станет запуск проекта LCRD, намеченного на 2017 год. Главной задачей этой миссии является проверка и демонстрация возможностей новой технологии с увеличенной в 6 раз скоростью передачи данных.

В космонавтике и в авиации сегодня применяются импульсные лазерные локаторы (рис. 2) для определения расстояния до цели.

Лазерные высотомеры (рис. 3) применялись в космическом корабле “Аполлон” для фотографирования поверхности Луны, на Межпланетном зонде «Messenger» для высокоточной топографической съёмки поверхности Меркурия.

Энергетическая проблема для к

осмонавтики не менее важная. Одно из решений использование управляемого те рмоядерного синтеза . Но существует ряд технологических проблем, не позволяющих довести работы до практического использования. Одна из таких проблем - удержание нагретой плазмы в ядерном реакторе. Один из способов решить эту проблему может заключаться в использовании лазеров.

Не далеко то время, когда человечество начнет отрываться от Земли и летать на другие планеты. При этом многие технологии, сейчас используемые в областях, далеких от космонавтики, космонавтам придется взять с собой. В том числе и лазерные: лазерный скальпель, лазерные резка и сварка, голография и т. д.

Конструктор космических систем академик РАН Борис Черток не исключает, что в перспективе в космосе могут появиться поражающее лазерное и высокочастотное космическое оружие.

Практическая часть

1. Исследование некоторых свойств лазерного излучения

Определение длины волны лазерного излучения

Цель: определить длины волн красного и зеленого лазерного излучения.

Оборудование, необходимое для измерения: В работе для определения длины световой волны используется дифрак­ционная решетка с известным периодом (период указан на решетке).

Если пропустить лазерный луч сквозь решетку, то на темном фоне экрана можно наблюдать дифракционные максимумы 0-го, 1-го, 2-го и т. д. порядков.

Длина волны λ, определяется по формуле: , где а – расстояние от решетки до экрана, b – расстояние на экране от максимума 0-го порядка до дифракционного максимума 1-го или 2-го порядка, d – период дифракционной решетки, k – порядок спектра.

Вычисление длины волны красного лазерного луча. Решетка с периодом 1/50 мм:

Вычисление длины волны красного

Вычисление длины волны зеленого лазерного луча. Решетка с периодом 1/75 мм:

Вычисление длины волны зеленого лазерного луча. Решетка с периодом 1/300 мм:

Для сравнения полученных результатов использую ниже приведенную таблицу.

Таблица. Длины волн лазерного излучения в лазерных указках

Вывод: С учетом погрешности при измерениях в опыте, а также, учитывая, что лазерные указки отличаются спектральным диапазоном, у них разный производитель, результаты, практически, близки к приведенным в таблице.

Отражение лазерного луча

Цель: наблюдать отражение лазерного луча от зеркальной поверхности.

Оборудование: оптическая скамья, зеркало, транспортир, лазер.

На отражающую поверхность (зеркало) в заданном направлении падает лазерный луч. Луч, отражаясь от зеркала, изменяет свое направление. Не зависимо от того, как падает луч на зеркало, всегда угол падения равен углу отражения и находятся лучи в одной плоскости с перпендикуляром, проведенным в точке падения луча.

На фотографиях показано отражение луча от зеркала при углах падения 304) и 60 (рис. 5).

Вывод: опыт доказывает справедливость закона отражения света.

Определение угла расхождения лазерного луча

Цель: наблюдение расхождения лазерного луча и определение угла расхождения.

Оборудование: лазер, линейка.

Для определения угла расхождения лазерного луча я расположил источник лазерного излучения на расстоянии 67230 мм от стены (опыт проводился в рекреации школы). Диаметр светового пятна на стене получился равным 90 мм (рис. 8). Диаметр луча на выходе из прибора примерно составляет 3 мм. Этим размером можно пренебречь, т. к. он намного меньше полученного значения диаметра пятна на стене и расстояния до стены (рис. 9).

Простые расчеты позволяют определить угол расхождения луча:

Вывод: угол расхождения лазерного луча примерно составляет 4,824"".

В работе также были проведены опыты по преломлению, дифракции, рассеиванию, поляризации лазерного луча и измерение температуры поверхности под действием лазерного луча.

2. Изготовление лазерного спирографа

Зрелище спиральных узоров, которые воспроизводятся на стенах при помощи этого прибора, завораживает и привлекает внимание. Большинство людей из тех, кому я продемонстрировал узоры спирографа, были просто в восторге от увиденного.

Идея создания пришла ко мне на дискотеке, когда я увидел своими глазами что такое настоящее лазерное шоу и лазерная цветомузыка, и как это все работает. Принцип действия прибора я подсмотрел в китайском светомузыкальном приборе, который меняет узоры в зависимости от звука. В нём применяются шаговые двигатели, управляемые микроконтроллером, при таком построении рисуемые картинки получаются нестабильными, за счёт синхронной работы моторов.

Я сделал похожее по принципу устройство, с простым управлением и с применением доступных деталей. Луч лазера направлен на первое зеркало, которое вращается первым мотором и отражает луч на следующее зеркало, а за счёт не большого наклона зеркал относительно оси мотора, луч отражается с круговым вращением и пятно получается виде чёткого узора.

В моем приборе используется два лазерных луча, четыре моторчика, пять зеркал и три реостата-регулятора скорости вращения моторчиков. Таким образом, получается «лазерное шоу».

3. Изготовление лазерного сканатора

Резонанс — явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний, которое наступает при совпадении частоты внешнего воздействия с некоторыми значениями (резонансными частотами), определяемыми свойствами системы. Увеличение амплитуды — это лишь следствие резонанса, а причина — совпадение внешней (возбуждающей) частоты с некоторой другой частотой, определяемой из параметров колебательной системы, таких как внутренняя (собственная) частота, коэффициент вязкости и т.п.

Сканатор предназначен для получения незамысловатых оптических фигур. Весь прибор основан на магнитном резонансе. Прибор изготовлен из моторчика, пластиковой пластинки и магнитов. Увеличение амплитуды колебаний пластинки при резонансе можно наблюдать по световой линии. Изменяя положение мотора и скорость его вращения, можно получать не только разные фигуры на экране, но и найти резонансные частоты.

Заключение

Данная работа позволила мне не только подробно разбираться в выбранном материале по данной теме, но и учиться анализировать информацию из множества источников, также подавать ее аудитории. Проведенные эксперименты, подтверждающие, некоторые законы физики и свойства лазерного излучения также способствовали изучению материала. Проектная деятельность способствует развитию способностей к самостоятельной работе, формированию навыков самоорганизации.

К моим практическим достижениям можно отнести значимость моей (уже не первой, подобной) работы, которая заключается в том, что она помогает пропедевтике физического образования в начальной школе, куда я выхожу регулярно со своими проектами по физике. И у меня уже появились последователи в этом деле. В проектную работу по физике включаются и сами малыши, что, несомненно, поможет им в образовании, в том числе и с выбором будущей профессии. Не исключаю возможности, что кто-то из них свяжет свою деятельность с космонавтикой.

Событие

Подписка на новости

Человек, знающий элементарные законы оптики, от души посмеется над сюжетом, в котором супергерой отражает лазерную атаку злодея с помощью блестящей поверхности. Зеркало не способно отразить луч лазера, не рассеяв его пучок. Чтобы отразить или перенаправить луч лазера, нужно потрудиться и иметь для этого достаточно сложное оборудование.
Да и рука супергероя находится в большой опасности. Ведь при попадании мощного луча, зеркало с недостаточным качеством поверхности, или разрушится, или расплавится.

Это немалая проблема для современных специалистов в области лазерной оптики. Они сталкиваются с необходимостью отражать пучок лазера постоянно. Каких только ухищрений не предпринимали ученые до недавнего времени, их зеркала не удовлетворяли поставленным задачам. Какой бы идеальной ни была поверхность зеркала, она греется в точке соприкосновения с лучом, нагревается и деформируется. Лазерный луч не отражается полностью, большая часть его энергии утрачивается.

Традиционно, ученые искали новые теплостойкие материалы для изготовления зеркал. Одни материалы лучше, иные хуже, одни материалы дорогие, а другие требуют сложной обработки. Поиски подходящего материала не закончены и по сей день. Скорее всего, эти поиски затянутся на неопределенное время.

Оптики из института Фраунгофера пошли другим путем. Они применили известную поговорку «если гора не идет к Магомету, то Магомет идет к горе». Они изменили подход к проблеме и решили создать умное зеркало, которое само компенсирует потери энергии и «подстраивается» под каждый вил лазерного луча индивидуально. Это стало возможным за счет того, что зеркало не поглощает тепло и деформируется, а просто компенсирует тепловую деформацию. Для компенсации используется высокоточный искусственный нагрев нужных областей зеркала и пьезоэлектрический эффект.
Зеркало, изготовленное из специальной керамики и покрытое слоем меди, может менять свою поверхность автоматически. Это происходит благодаря тепловым датчикам, которые дают команду нагревательному устройству разогреть ту область зеркала, которая компенсирует деформацию от тепла лазерного луча.

Применение умных зеркал дает простор для широкого применения лазера. Это могут быть установки для разрезания крупногабаритного космического мусора на мелкие части, которые способны сгореть в атмосфере Земли. Для этого не понадобится значительных затрат энергии и работы можно проводить с большого расстояния.

Применение таких зеркал поможет преодолеть атмосферные искажения лазерного луча и передавать большие объемы информации без потерь на расстояния в тысячи километров. В этом проекте кроются отличные перспективы для развития лазерной связи.

Конечно же, супергерою в карман такое зеркало не поместится. Ему нужно найти другие способы противостоять лазерному оружию. Кто знает, может такие методы и найдутся в будущем?!