В готовой ученической исследовательской работе по физике на тему «Лазерные технологии» автор изучает лазерные технологии и их применение в современной жизни, определяет постоянный темп роста развития лазерных технологий и их внедрения в нашу жизнь.

Подробнее о работе:

В рамках исследовательского проекта по физике о лазерных технологиях и их применении автор рассмотрел сведения из истории создания лазеров и хронологию их развития до сегодняшнего дня. В проекте представлены характеристики современных лазерных технологий и указаны причины их востребованности и развития. Автор описывает лазер-устройство и принцип его действия, дает характеристику свойств лазерного излучения.

В ходе учебного исследовательского проекта по физике «Лазерные технологии и их применение» учащийся провел исследование высокой интенсивности лазерного излучения, подробно описал все виды лазеров, провел проверку монохромотичности и возможности фокусировки лазерного луча, изучил особенности применения лазерных технологий в медицине и вооруженных силах. Автор проекта провел эксперимент, направленный на выявление способа повышения мощности лазерного излучения.

Оглавление

Введение
1. История создание лазеров.
2. Лазер-устройство и принцип действия.
3. Свойства лазерного излучения (принципы работы лазера) .
4. Высокая интенсивность лазерного излучения.
5. Основные виды лазеров.
6. Проверка монохромотичности и возможности фокусировки лазерного луча.
6.1 Вооружение.
6.2 Медицина.
7. Эксперимент.
Заключение
Список литературы

Данная работа посвящается изучению лазеров и их применения в различных сферах деятельности человека.

Уникальные свойства излучения лазеров позволили использовать их в различных отраслях науки и техники, а также в быту, начиная с чтения и записи компакт-дисков, считывания штрих-кодов в магазинах и заканчивая исследованиями в области управляемого термоядерного синтеза.

В последние годы открываются принципиально новые виды лазеров, обладающих высоким коэффициентом полезного действия. Так же, лазеры упрощаются и дорабатываются под нужды той или иной отрасли жизнедеятельности людей. В результате этого существенно расширился диапазон выполняемых функций лазерной техники. Наряду с увеличением производительности и качества традиционных лазерных технологических процессов обработки были разработаны новые процессы, обеспечивающие общий прогресс развития теории и практики в технологии приборостроения.

В настоящее время применение лазерных технологий в приборостроительном производстве чрезвычайно разнообразно. К числу таких технологий относятся сварка, терм упрочнение, легирование, наплавка, резка, размерная обработка, маркировка, гравировка, прецизионная микросварка и многие другие. В некоторых случаях лучевые технологии находятся вне конкуренции, так как с помощью лазеров можно получить технические и экономические результаты, которых нельзя достичь другими техническими средствами.

Развитие современного производства обуславливает все возрастающее внедрение наукоемких технологий, в частности, лазерной обработки материалов. Такая обработка является одной из технологий, которые определяют современный уровень производства в промышленно-развитых странах. Использование лазерной обработки материалов позволяет обеспечить высокое качество получаемых изделий, заданную производительность процессов, экологическую чистоту, а также экономию людских и материальных ресурсов.

Цель исследования: Целью данной работы является изучение лазерных технологий и применение в современной жизни.

Актуальность данной темы: Выявить постоянный темп рост развития лазерных технологий и их внедрения в нашу жизнь.

Задачи исследования:

1. Ознакомиться с принципом работы различных типов лазеров;
2. Способы повышения мощности лазерного излучения;
3. Выбрать варианты применения лазеров.

Предмет исследования: Лазерные технологии.

В 1900 году один из талантливейших умов нашей планеты – немецкий ученый Макс Планк открывает элементарную порцию энергии – квант и теоретически описывает связь энергии кванта с частотой электромагнитного излучения, вызвавшей его появление. Спустя 8 лет в 1918 году за свое открытие он получает Нобелевскую премию. Кстати примерно в это же время другой выдающийся ученый Альберт Эйнштейн открывает наименьшую элементарную частицу света – фотон и доказывает теорию дискретности света.

В 1917 году Эйнштейн формулирует теорию «Вынужденного излучения», которая описывает возможность создания условий, при которых электроны одновременно излучают свет одной длины волны. То есть, по сути, он описал теоретическую возможность создания некоего управляемого электромагнитного излучателя, названного впоследствии лазером.

Только через 34 года идея Эйнштейна из теории начала превращаться в реальность. В 1951 году профессор Колумбийского университета Чарльз Таунс решается использовать теорию «вынужденного излучения» для создания реального действующего прибора. В 1954 году он со своими единомышленниками Гербертом Цайгером и Джеймсом гордоном на практике реализует свой замысел, представив на суд общественности – первый в мире реально работающий лазер.

Правда, тогда он назывался «мазер». Прибор генерировал очень тонкий луч света на частоте 100 Гц мощностью 10 нВт. Конечно же, по сегодняшним меркам это немного, но тогда это был настоящий прорыв в оптоэлектронике.

Спустя год в 1955 году советские ученые Александр Прохоров и Николай Басов из Института физики Академии наук CCCP совершенствуют конструкцию мазера, изменяя метод накачки электронов. В 1964 году они вместе с Таунсом получают за свои открытия Нобелевскую премию. В 1956 году американский ученый Николас Блумберген из Гарвардского университета разрабатывает твердотельный мазер. До этого существовали только газовые.

Что касается самого названия, то впервые термин «лазер» упоминает в своих научных работах выпускник Колумбийского университета и коллега по научным изысканиям Чарльза Таунса – Гордон Гуд. Это произошло в 1957 году. Почему такое изменение? Дело в том, что первые мазеры работали не в оптическом диапазоне и были невидимы для человеческого глаза. Таунс же разработал конструкцию оптического свет генерирующего прибора, а Гуд ввёл понятие «лазер» и нотариально заверил право первого, кто описал принцип работы этого прибора.

Затем лазерная техника получила бурное развитие. Появились: газовые, газодинамические, химические лазеры, лазеры на свободных электронах, волоконные и другие.

С момента своего изобретения лазеры зарекомендовали себя как «готовые решения ещё неизвестных проблем». В силу уникальных свойств излучения лазеров, они широко применяются во многих отраслях науки и техники, а также в быту.

Лазеры широко применяются в научных измерениях и экспериментах. Они позволяют создать высокую точность там, где это потребуется.

Современные источники лазерного излучения дают в руки экспериментаторов монохроматический свет с практически любой желаемой длиной волны. В зависимости от поставленной задачи это может быть, как непрерывное излучение с чрезвычайно узким спектром, так и ультракороткие импульсы длительностью вплоть до сотен аттосекунд (1 ас = 10−18 секунды).

Лазеры применяются в информационной сфере. Лазерные принтеры и лазерные проигрыватели компакт дисков прочно вошли в наш обиход.

Лазер используется в строительстве. Лазерные уровни, угломеры и линейки позволяют делать замеры с большой точностью.

Также лазеры применяются в быту. Лазерные указки, считыватели штрих-кодов и тому подобная техника успела завоевать популярность.

Лазер или оптический квантовый генератор- это устройство, преобразующее энергию накачки (энергию, подводимую к активной среде) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения.

Другими словами, это устройство, преобразующее энергию накачки в более качественную энергию – энергию электромагнитного поля (лазерный луч). Качество лазерной энергии определяется ее высокой концентрацией и возможностью передачи на значительные расстояния. Преимуществом лазера является то, что его луч можно сфокусировать в очень маленькое пятнышко диаметром порядка световой волны и получить плотность энергии, превышающую плотность ядерного взрыва. К преимуществам лазера также относится то, что лазерный луч является самым емким носителем информации.

Излучение лазера может быть непрерывным, с постоянной мощностью или импульсным, достигающим предельно больших пиковых мощностей. Существует большое количество видов лазеров, использующих в качестве рабочей среды все агрегатные состояния вещества. Некоторые типы лазеров, например, лазеры на растворах красителей или полихроматические (основанные на комбинации нескольких цветов) твердотельные лазеры, могут генерировать целый набор частот в широком спектральном диапазоне. (Таблица 1)

Габариты лазеров разнятся от микроскопических для ряда полупроводниковых лазеров до размеров футбольного поля.

В основе работы лазеров лежат три явления: поглощение веществом энергии, спонтанное и вынужденное излучения возбужденной системы атомов.

Устройство лазера зависит от его назначения, режима работы, диапазона генерируемых длин волн, уровня генерируемой мощности или энергии. Оно во многом определяется также тем, какой вид энергии преобразуется лазером в когерентное излучение.

Следовательно, почти каждый лазер должен состоять из:

1. Активного элемента (активной среды)
2. Элемента накачки
3. Резонансного оптического усилителя (системы обратной связи)
4. Схемы отвода генерируемой мощности (только в мощных лазерах)

Каждая лазерная система состоит из активной среды, помещенной между парой оптически параллельных и высоко отражающих зеркал, одно из которых полупрозрачное, и источника энергии для ее накачки. Чтобы лазер начал генерировать излучение, необходимо подвести энергию к его активной среде, чтобы создать в ней инверсную населенность. Данный процесс и называется накачкой лазера.

1. Активный элемент – Среда, которая «вбирает» в себя энергию и пере излучает ее виде когерентного излучения. Это может быть кристалл, раствор, газ или полупроводник, обеспечивающий конкретную длину волны в зависимости от своего химического состава. Среда, в которой создана инверсная населенность уровней, называется активной.

2. Элемент накачки – устройство, поставляющее энергию для насыщения активной среды и переработки ее в когерентное излучение. Накачка может быть оптической (лампы), а также лазерной, химической и даже тепловой. Накачка лазера - осуществление инверсии населенности, в веществе. Она происходит за счет поглощения энергии внешнего электромагнитного излучения или другими воздействиями.

3. Резонансный оптический усилитель – система с положительной обратной связью, состоящая из двух зеркал, одно из которых непрозрачное, а другое полупрозрачное. Зеркала, отражая часть излучения в активное вещество, играют роль резонатора, обеспечивающего многократное усиление и направленность генерируемого излучения. С выхода резонансного оптического усилителя часть сигнала снова поступает на вход, многократно при этом усиливаясь, при этом поступающий с выхода на вход сигнал согласован с изначальным входным сигналом по фазе. Это необходимо для возникновения генерации света.

Вещество помещается между парой зеркал таким образом, что свет, отражающийся в них, каждый раз проходит через него. При этом в среде должна поддерживаться инверсная населенность уровней. Достигнув значительного усиления, свет проникает сквозь полупрозрачное зеркало.

4 Схемы отвода генерируемой мощности.

Важным условием работы лазера является усиление лазерного излучения в так называемых активных средах из-за лавинного размножения квантов излучения. Понятно, что чем больше активной среды и уровень накачки, тем больше интенсивность выходящего из нее излучения. Лазерное излучение по своей структуре представляет собой совокупность отдельных порций фотонов, время образования и выхода которых, могут различаться.

Именно индуцированное излучение является физической основой работы лазеров.