Właściwości promieniowania laserowego. Podstawowe zasady i biologiczne mechanizmy oddziaływania promieniowania laserowego na skórę. Technologia i technika
Urządzenie lasera i właściwości emisji wymuszonej decydują o różnicy między promieniowaniem lasera a promieniowaniem konwencjonalnych źródeł światła. Promieniowanie laserowe (LI) charakteryzuje się następującymi ważnymi właściwościami.
1. Wysoka spójność. Promieniowanie jest wysoce spójny co wynika z właściwości wymuszonego promieniowania indukowanego. W tym przypadku zachodzi nie tylko koherencja czasowa, ale i przestrzenna: różnica faz w dwóch punktach płaszczyzny prostopadłej do kierunku propagacji pozostaje stała (rys. a) (ze względu na spójność przestrzenną promieniowanie może być skupione w bardzo mała objętość).
2. Monochromatyczny. Promieniowanie laserowe jest wysoce monochromatyczny, to znaczy zawiera fale o prawie tej samej częstotliwości (fotony mają tę samą energię). Wynika to z faktu, że emisja wymuszona wiąże się z powielaniem fotonów (każdy indukowany foton jest całkowicie podobny do pierwotnego). W takim przypadku powstaje fala elektromagnetyczna o stałej częstotliwości. Szerokość linii widmowej wynosi 0,01 nm. na ryc. c pokazuje schematyczne porównanie szerokości linii wiązki laserowej i wiązki zwykłego światła.
Przed pojawieniem się laserów promieniowanie o pewnym stopniu monochromatyczności można było uzyskać za pomocą urządzeń - monochromatorów, które wyodrębniają wąskie przedziały widmowe (wąskie pasma długości fal) z widma ciągłego, ale moc światła w takich pasmach jest niewielka.
3. Wysoka moc. Za pomocą lasera możliwe jest dostarczenie bardzo dużej mocy promieniowania monochromatycznego. - do 10 5 W w trybie ciągłym. Moc laserów impulsowych jest o kilka rzędów wielkości większa. Tak więc laser neodymowy generuje impuls z energią mi= 75 J, którego czas trwania T= 3 · 10 -12 sek. Moc w pulsie jest R= E/t\u003d 2,5 · 10 · 13 W (dla porównania: moc HPP R~ 10 9 W).
4. Wysoka intensywność. W laserach impulsowych intensywność promieniowania laserowego jest bardzo duża i może sięgać I\u003d 10 14 -10 16 W / cm 2 (porównaj intensywność światła słonecznego w pobliżu powierzchni ziemi I\u003d 0,1 W / cm2).
5. Wysoka jasność. Dla laserów pracujących w zakresie widzialnym, jasność promieniowanie laserowe (natężenie światła na jednostkę powierzchni) jest bardzo wysokie. Nawet najsłabsze lasery mają jasność 10 15 cd/m2 (dla porównania: jasność Słońca Ł~ 10 9 cd/m2).
6. Ciśnienie. Wiązka laserowa, padając na powierzchnię, ma ciśnienie (p). Przy całkowitej absorpcji promieniowania laserowego padającego prostopadle do powierzchni powstaje ciśnienie R= I/s, gdzie I jest natężeniem promieniowania, Z jest prędkością światła w próżni. Przy całkowitym odbiciu ciśnienie jest dwukrotnie wyższe. Na intensywności I\u003d 10 14 W / cm2 \u003d 10 18 W / m2, R\u003d 3,3 10 9 Pa \u003d 33000 atm.
7. Mały kąt rozbieżności w wiązce. Kolimacja. Promieniowanie jest skolimowany to znaczy wszystkie promienie w wiązce są prawie równoległe do siebie (ryc. 6). Z dużej odległości wiązka lasera tylko nieznacznie zwiększa swoją średnicę (w przypadku większości laserów kąt rozbieżności wynosi 1 minutę kątową lub mniej). Ponieważ kąt rozbieżności jest mały, intensywność wiązki laserowej nieznacznie maleje wraz z odległością. Acuity pozwala na przesyłanie sygnałów na duże odległości z niewielkim tłumieniem ich intensywności.
8. Polaryzacja.Światło lasera jest całkowicie spolaryzowane.
Kiedy naukowcy dowiedzieli się, jakie są właściwości promieniowania laserowego, opinia publiczna zyskała szeroki zakres możliwości interferometrii. Obecnie społeczność naukowa dysponuje dość dokładnymi metodami określania ilościowych szacunków przemieszczeń i długości. Początkowo interferometry były stosowane raczej w ograniczonym zakresie, ponieważ źródła fali świetlnej nie były spójne i jasne w wymaganym stopniu, więc obraz dostępny dla człowieka był prawidłowy tylko wtedy, gdy ramię pomiarowe miało 50 cm lub mniej. Wiele się zmieniło, gdy stało się możliwe zastosowanie bardziej precyzyjnego promieniowania laserowego.
Hemostatyka
Termin ten jest używany do krótkiego określenia właściwości promieniowania laserowego, wyrażonej poprzez lutowanie, spawanie. Proces ten jest spowodowany martwicą związaną z obróbką termiczną. Martwicy kontrolowanej koagulacją, wywołanej zmianą poziomu ogrzewania, towarzyszy tworzenie filmu brzegowego z elementów komórek i tkanek. To łączy kilka warstw ciała z jednym poziomem.
Praca z laserem to zawsze interakcja z bardzo wysokimi temperaturami. Dzięki tej funkcji normalny płyn w komórkach i między tkankami odparowuje niemal natychmiast, a suche składniki wypalają się. O dystrofii decyduje rodzaj promieniowania laserowego (właściwości nieco się różnią) zastosowanego w danej instalacji. Wiele zależy też od rodzaju przetwarzanych tkanek organicznych, od czasu kontaktu. Ruch lasera powoduje parowanie, co skutkuje cięciem liniowym.
Ważne cechy
Biorąc pod uwagę właściwości promieniowania laserowego, należy wspomnieć o widmie monochromatycznym, wysokim poziomie koherencji, niskiej dywergencji oraz zwiększonej gęstości widma. W sumie umożliwia to projektowanie precyzyjnych urządzeń laserowych, które są niezawodne i mają zastosowanie w bardzo różnych warunkach klimatycznych, geologicznych i hydrologicznych.
W ostatnich latach zaprojektowano bardzo precyzyjne urządzenia z laserami dla geodetów. Bazują one na właściwościach promieniowania laserowego znanych już ludzkości. Zastosowanie laserów w tego typu urządzeniach jest szeroko rozpowszechnione nie tylko w naszym kraju, ale także za granicą. Jak widać z praktyki, systemy laserowe są nieodzowne dla układarek rur i maszyn do robót ziemnych jako metoda określania kierunku ruchu. Są również ważne przy tworzeniu dróg (kolejowych, samochodowych) i wielu innych pracach.
To jest ważne
Laser znalazł zastosowanie w formowaniu rowów. Za pomocą specjalnej instalacji powstaje wiązka laserowa, która wyznacza trasę. Skupiając się na tym, osoba obsługująca koparkę może pracować stabilnie. Działanie tak nowoczesnych urządzeń to gwarancja wysokiej jakości wykonania wszystkich etapów prac i wykonania wykopów dokładnie tak, jak określono w dokumentacji projektowej.
Laser jest niezastąpiony!
Jeśli na kursie szkolnym lub uniwersyteckim w pracy testowej uczeń otrzymuje zadanie „Wymień właściwości charakterystyczne dla promieniowania laserowego”, jako pierwsze przychodzi na myśl spójność i jasność. Jeśli porównamy laser i plazmę, to ta pierwsza kilkakrotnie przekracza parametry jasności, nadaje się do tworzenia błysków szeregowych, a częstotliwość może dochodzić do 1010 Hz. Jeden impuls może trwać (w pikosekundach) kilkadziesiąt. Jednocześnie rozbieżność jest niska, a częstotliwość można regulować. Właściwości te okazały się mieć zastosowanie w instalacjach, które umożliwiają badanie procesów zachodzących z bardzo dużą szybkością.
Dzięki opisanym cechom lasery stały się niezastąpione w analityce wykorzystującej technologię spektroskopii termooptycznej.
Drobne struktury
Główne właściwości promieniowania laserowego zidentyfikowane przez naukowców (wymienione powyżej) umożliwiły zastosowanie tej technologii w rozwoju nowoczesnej broni i projektowaniu maszyn do cięcia różnych materiałów. Ale tylko ten zakres możliwości nie jest ograniczony. Wykorzystując szczególnie precyzyjne i zaawansowane technologicznie metody konstruowania działającej struktury, możliwe jest stworzenie systemu do badania molekuł, ich struktury i właściwości na podstawie promieniowania laserowego. Uzyskując w ten sposób najświeższe informacje, naukowcy tworzą podstawę do tworzenia nowych typów laserów. Jak wynika z najbardziej optymistycznych prognoz, w niedalekiej przyszłości właśnie dzięki promieniowaniu laserowemu uda się odkryć naturę fotosyntezy, co oznacza, że naukowcy otrzymają wszelkie klucze do zrozumienia istoty życia na planecie i mechanizmy jego powstawania.
Znajomość świata: tajemnice i odkrycia
Uważa się, że zbadano już wszystkie główne właściwości promieniowania laserowego. Naukowcy znają podstawowe zasady emisji wymuszonej i potrafią je zastosować w praktyce. Za szczególnie ważne uważa się monochromatyczne widmo promieniowania, jego intensywność, długość impulsu i wyraźny kierunek. Dzięki takim cechom wiązka laserowa wchodzi w nietypowe oddziaływanie z substancją.
Na co dodatkowo zwracają uwagę fizycy, tych właściwości promieniowania laserowego nie można nazwać niezależnymi charakterystykami opisującymi wszystkie bez wyjątku odmiany wspomnianego zjawiska. Istnieją między nimi pewne powiązania. W szczególności spójność jest określona przez kierunkowość promieniowania, a długość impulsu jest bezpośrednio związana z monochromatycznym widmem wiązki. Czas trwania, kierunek określają intensywność promieniowania.
Efekt Ramana
Zjawisko to jest jednym z najważniejszych dla oceny, zrozumienia i zastosowania właściwości promieniowania laserowego. Terminem tym określa się taki stan, którego zainicjowanie wymaga instalacji dużej mocy. Pod jego wpływem dochodzi do rozpraszania, gdy obserwuje się przesunięcie częstotliwości promieniowania. Identyfikując specyfikę składu widmowego, oceniając moc, można zauważyć, że częstotliwość jest korygowana według dość złożonego wzoru. Sztucznie stymulując efekt Ramana można stworzyć metodę korekcji optyki sygnałów koherentnych.
to ciekawe
Badania właściwości promieniowania laserowego i inicjowanych przez nie procesów w materii wykazały, że obraz pod wieloma względami przypomina ten obserwowany w strukturze ferromagnesów i nadprzewodników. Jeśli wysoki poziom pompowania zostanie osiągnięty przy użyciu rezonatora małej mocy, wiązki emitowane przez laser stają się chaotyczne. Jednocześnie chaos sam w sobie jest stanem światła, który jest zupełnie inny od chaosu tworzonego przez obiekty promieniujące ciepło.
Rozszerza się obszar użytkowania
Ponieważ promieniowanie laserowe ma następujące właściwości: widmo monochromatyczne, ściśle określoną kierunkowość, dlatego może być stosowane jako źródło światła. Obecnie trwają prace rozwojowe w zakresie zastosowania tej technologii do transmisji sygnału. Wiadomo, że światło i materia mogą oddziaływać na siebie w taki sposób, że proces ten można zastosować w praktyce w różnych ustawieniach, ale właściwe podejście nie zostało jeszcze opracowane. Istnieją inne pilne problemy zaawansowane technologicznie, złożone i wymagające intensywnych badań naukowych, dla których prędzej czy później możliwe będzie zastosowanie promieniowania laserowego o dużej mocy.
Właściwości opisywanego zjawiska umożliwiają projektowanie urządzeń spektralnych. W pewnym stopniu tłumaczy to mała rozbieżność wiązki, której towarzyszy zwiększona gęstość widma.
Wiele możliwości
Jak przekonali się naukowcy, aby stworzyć najbardziej wydajne i szeroko stosowane instalacje, zasadne jest stosowanie laserów, których częstotliwość można regulować podczas pracy. Są one istotne przede wszystkim dla przyrządów spektralnych o zwiększonej rozdzielczości. W takich instalacjach możliwe jest uzyskanie prawidłowego wyniku badania bez uciekania się do elementu rozpraszającego.
Systemy oparte na laserze, którego częstotliwość jest dostosowywana podczas pracy, znalazły obecnie zastosowanie w różnych dziedzinach i dziedzinach działalności naukowej, medycynie i przemyśle. Pod wieloma względami przeznaczenie konkretnego urządzenia jest zdeterminowane specyfiką zastosowanego w nim promieniowania laserowego. Linia generacyjna określa rozdzielczość widmową, połowę szerokości funkcjonalności urządzenia. Kształt zależy od danego intensywnego rozkładu widmowego.
Właściwości techniczne
Zwykle laser jest zaprojektowany jako rezonator, w którym tworzone jest określone środowisko. Jego kluczową cechą jest ujemna absorpcja energii elektromagnetycznej. Taki rezonator umożliwia zmniejszenie strat promieniowania w wyspecjalizowanym środowisku. Wynika to z powstania cyklu dla energii elektromagnetycznej. W tym przypadku częstotliwości są pobierane tylko w wąskim paśmie. Takie podejście umożliwia kompensację strat energii spowodowanych stymulacją promieniowania.
Aby wygenerować energię elektromagnetyczną o właściwościach lasera, nie jest konieczne stosowanie rezonatora. Wynik nadal będzie spójny, charakteryzujący się wysoką kolimacją i wąskim widmem.
O holografii
Aby realizować takie procesy, należy dysponować źródłem generującym promieniowanie o wysokim stopniu koherencji. W tej chwili są to lasery. Gdy tylko udało się po raz pierwszy odkryć takie promieniowanie, fizycy niemal od razu zorientowali się, że jego właściwości można wykorzystać do realizacji holografii. Był to impuls do szerokiego praktycznego zastosowania obiecującej technologii.
O aplikacji
Gdy tylko wynaleziono lasery, środowisko naukowe, a potem cały świat, doceniło je jako unikalne rozwiązanie każdego problemu. Wynika to z właściwości promieniowania. Obecnie lasery są wykorzystywane w technice, nauce oraz w rozwiązywaniu wielu codziennych problemów: od odtwarzania muzyki po odczytywanie kodów przy sprzedaży towarów. Przemysł wykorzystuje takie systemy do lutowania, cięcia, spawania. Ze względu na możliwość osiągania bardzo wysokich temperatur możliwe jest spawanie materiałów nie poddających się klasycznym technikom łączenia. Umożliwiło to np. tworzenie brył z ceramicznych, metalowych części.
Wiązkę laserową przy użyciu nowoczesnych technologii można tak zogniskować, że średnica powstałego punktu będzie szacowana w mikronach. Pozwala to na zastosowanie technologii w mikroskopijnych urządzeniach elektronicznych. Obecnie taka możliwość znana jest pod pojęciem „scribing”.
Gdzie jeszcze?
Dość aktywnie lasery, ze względu na swoje unikalne właściwości, są wykorzystywane w przemyśle do tworzenia powłok. Pomaga to zwiększyć odporność na zużycie różnych produktów i materiałów. Znakowanie i grawerowanie laserowe są nie mniej istotne - za pomocą nowoczesnej instalacji można w ten sposób przetwarzać prawie każdą powierzchnię. Wynika to głównie z braku bezpośredniego wpływu mechanicznego, co oznacza, że przebieg pracy powoduje mniej deformacji niż w przypadku jakiejkolwiek innej popularnej metody. Obecny poziom rozwoju techniki i nauki jest taki, że możliwe jest pełne zautomatyzowanie wszystkich etapów pracy z laserem, przy zachowaniu wysokiego poziomu wydajności i zwiększonej dokładności wykonania zadania.
Technologia i technika
Ostatnio szeroko stosowane są systemy laserowe z barwnikami. Wytwarzają promieniowanie monochromatyczne o różnych długościach fal, impulsy szacuje się na 10-16 s. Moc takich instalacji jest bardzo duża, a generowane impulsy ocenia się jako gigantyczne. Możliwość ta jest szczególnie istotna dla spektroskopii i badań w optyce w odniesieniu do efektów nieliniowych.
Wykorzystanie lasera stało się podstawową technologią dokładnego szacowania odległości naszej planety od najbliższego ciała niebieskiego, jakim jest Księżyc. Dokładność pomiaru - do centymetrów. Lokalizacja za pomocą lasera pozwala zwiększyć wiedzę astronomiczną, udoskonalić nawigację w kosmosie, powiększyć bazę danych o cechach atmosfery i z czego zbudowane są planety naszego układu.
Chemia nie jest pominięta
Nowoczesna technologia laserowa służy do inicjowania reakcji chemicznych i badania ich przebiegu. Dzięki takim możliwościom możliwe jest określenie dokładnej lokalizacji, dawki, sterylności oraz podanie niezbędnych wskaźników energetycznych w momencie uruchomienia systemu.
Naukowcy aktywnie pracują nad tworzeniem systemów chłodzenia laserów i rozwijają możliwość wykorzystania takiego promieniowania do kontrolowania reakcji termojądrowych.
Cechy promieniowania laserowego i rodzaje laserów.
Lasery dały początek nowym technologiom o wyjątkowych możliwościach. Jakie są niezwykłe właściwości promieniowania laserowego, wiązka laserowa?
Po pierwsze, promień lasera rozchodzi się prawie bez rozszerzania. Słowo „prawie” oznacza, że wiązka światła laserowego nie jest całkowicie równoległa: istnieje kąt rozbieżności, ale jest on stosunkowo mały - około 10 ^ (-5) rad, a mimo to na dużych odległościach jest zauważalny: na Księżyc taką wiązką skierowaną z Ziemi daje plamę o średnicy około 3 km.
Po drugie, światło lasera jest skrajnie monochromatyczne, to znaczy ma tylko jedną długość fali, jeden kolor. W przeciwieństwie do zwykłych źródeł światła, których atomy emitują światło niezależnie od siebie, w laserach atomy emitują światło wspólnie. Dzięki tej właściwości wiązki laserowej możliwe stało się zapisywanie informacji o dużej gęstości - maleńkie dyski optyczne mogą pomieścić ogromną ilość informacji - setki megabajtów.
Po trzecie, laser jest najpotężniejszym źródłem światła. W wąskim zakresie widma, przez krótki czas (10 ^ (-11) s) osiąga się moc promieniowania 10 ^ 12-10 ^ 13 W na centymetr kwadratowy, podczas gdy moc promieniowania Słońca z tego samego obszar wynosi tylko 7 10 ^ 3 W, a ogólnie w całym spektrum.
Odmiany laserów
W 1960 roku T. Maiman (USA) stworzył pierwszy laser - rubin pracować w tryb pulsacyjny. Ale nadal jest to krótki impuls świetlny. Mogą wybić dziurę, zespawać dwa metalowe druty i zrobić wiele innych przydatnych rzeczy.
lasery gazowe . Laser gazowy powstał niemal równocześnie z laserem rubinowym, w tym samym roku 1960. Działał na mieszance helu i neonu. Nowoczesne lasery gazowe działają na wiele gazów i oparów. Wszyscy dają ciągłe promieniowanie w bardzo szerokim zakresie długości fal od ultrafioletu do podczerwieni.
laser dynamiczny gazowy podobny do silnika odrzutowego. Jego komora spalania spala tlenek węgla (tlenek węgla) z dodatkiem paliwa (nafta, benzyna, alkohol). Powstała mieszanina gazów składa się z dwutlenku węgla, azotu i pary wodnej. Przepływając między lustrami cząsteczki gazu wypromieniowują energię w postaci kwantów światła, dając początek wiązce laserowej o mocy 150 - 200 kW. I nie jest to moc pojedynczego błysku, ale stała, stabilna wiązka, świecąca do wyczerpania paliwa w laserze.
lasery półprzewodnikowe dają również promieniowanie ciągłe. Laser półprzewodnikowy został stworzony w 1962 roku przez amerykańskiego naukowca R. Halla. Opiera się na zapisie optycznym znanym wielu użytkownikom komputerów osobistych, którzy trzymali w dłoniach dysk laserowy, atrakcyjnym nie tylko wyglądem, ale także pojemnością informacyjną: na jednej krążek o średnicy 12 cm.
lasery barwnikowe (lasery cieczowe). Nazywa się je tak, ponieważ ich cieczą roboczą są roztwory barwników anilinowych w wodzie, alkoholu, kwasie i innych rozpuszczalnikach. Lasery ciekłe mogą emitować impulsy światła o różnych długościach fal (od ultrafioletu po podczerwień) i mocy od setek kilowatów do kilku megawatów, w zależności od rodzaju barwnika.
Opracowywane są lasery chemiczne, w których atomy przechodzą w stan wzbudzony pod wpływem energii pompy reakcji chemicznych. Wiele uwagi poświęca się rozwojowi laserów chemicznych dużej mocy, które zamieniają energię reakcji chemicznej na promieniowanie spójne, oraz lasera atomowego, który emituje nie światło, ale wiązkę atomów.
Wykład 8
„Laser” to skrót utworzony z pierwszych liter angielskiej frazy Light amplification by stymulowana emisja promieniowania – amplifikacja światła przez tworzenie wymuszonej emisji.
Laser (optyczny generator kwantowy) - generator promieniowania elektromagnetycznego w zakresie optycznym, oparty na wykorzystaniu promieniowania stymulowanego (stymulowanego).
promieniowanie laserowe to promieniowanie elektromagnetyczne, które powstaje w ( lasery ) o długości fali 0,2-1000 μm: 0,2 ... 0,4 μm - ultrafiolet, 0,4 ... 0,75 μm - światło widzialne, bliska podczerwień 0,75 ... 1,4 μm, podczerwień 1,4 ... 10 2 μm.
charakterystyczny osobliwość promieniowanie laserowe to: promieniowanie monochromatyczne ( dokładnie ta sama długość fali) spójność promieniowania (wszystkie źródła promieniowania emitują fale elektromagnetyczne w jednej fazie); ostry kierunek wiązki (mała rozbieżność).
Promieniowanie laserowe wyróżnia się rodzaj promieniowania NA
- bezpośredni(zawarty w ograniczonym kącie bryłowym)
- rozsiany(rozproszone z substancji będącej częścią ośrodka, przez który przechodzi wiązka laserowa)
- odbicie lustrzane ( odbite od powierzchni pod kątem równym kątowi padania promieniowania)
- rozproszone odbicie(odbite od powierzchni we wszystkich możliwych kierunkach)
Jako urządzenie techniczne laser składa się z trzech głównych elementów:
- aktywne środowisko
- rezonator
- systemy pompowe.
W zależności od natury aktywne środowisko lasery dzielą się na następujące rodzaje: na ciele stałym (na kryształach lub szkłach); gaz (He-Ne, Ar, Kr, Xe, Ne, He-Cd, CO2 itp.); płyn; półprzewodnikowy itp.
Jak rezonator Zwykle stosuje się równoległe lustra o wysokim współczynniku odbicia, pomiędzy którymi umieszcza się ośrodek aktywny.
Pompowanie, tj. przeniesienie atomów ośrodka aktywnego na wyższy poziom jest zapewnione albo przez silne źródło światła, albo przez wyładowanie elektryczne.
Istnieją lasery ciągłe i impulsowe.
Klasyfikacja laserów może być przedstawiona w następujący sposób (ryc.):
W zależności od stopnia zagrożenia generowanego promieniowania lasery są klasyfikowane zgodnie z GOST 12.1.041-83 (1996):
Klasa 1 ( bezpieczna)- promieniowanie wyjściowe nie stanowi zagrożenia dla oczu i skóry;
klasa II ( mało niebezpieczne) - promieniowanie wyjściowe jest niebezpieczne, gdy oczy są narażone na promieniowanie bezpośrednie lub odbite zwierciadlanie;
klasa III ( średnio niebezpieczne) - promieniowanie bezpośrednie, lustrzane, a także rozproszone odbite jest niebezpieczne dla oczu;
klasa IV ( wysoce niebezpieczne) - promieniowanie rozproszone odbite jest niebezpieczne dla skóry w odległości 10 cm od powierzchni odbijanej.
Klasyfikacja laserów według stopnia zagrożenia dokonywana jest na podstawie czasowej, energetycznej i geometrycznej (punktowej lub rozszerzonej) charakterystyki źródła promieniowania oraz maksymalnych dopuszczalnych poziomów promieniowania laserowego.
Specyfikacje lasera : długość fali, µm; szerokość linii emisji; natężenie promieniowania (określone przez energię lub moc wiązki wyjściowej i wyrażone w J lub W); czas trwania impulsu, s; częstotliwość powtarzania impulsów, Hz.
Lasery są szeroko stosowane do celów naukowych, w medycynie praktycznej, a także w różnych dziedzinach techniki. Pola zastosowania lasera są określone przez energię zastosowanego promieniowania laserowego:
Biologiczne działanie lasera promieniowanie zależy od energii promieniowania mi, energia pędu mi oraz gęstość mocy (energia) W P( W e), czas ekspozycji T, długość fali l, czas trwania impulsu t, częstotliwość powtarzania impulsu F, strumień promieniowania F, gęstość promieniowania powierzchniowego mi e, intensywność promieniowania I.
Przedmiot scharakteryzowany | Indeks | Przeznaczenie | Jednostka |
Wiązka promieniowania laserowego | Energia promieniowania laserowego | mi | J |
Energia impulsu laserowego | E i | J | |
Moc lasera | R | wt | |
Gęstość energii (mocy) promieniowania laserowego | my , W str | J / cm 2 (W / cm 2) | |
Pole promieniowania | strumień promieniowania | F, F, R | wt |
Gęstość strumienia promieniowania powierzchniowego | E e | W/m2 | |
Intensywność promieniowania | JEST | W/m2 | |
Źródło promieniowania | Emisyjność | Odnośnie | W/m2 |
Siła energetyczna promieniowania | Tj | wt/śr | |
Jasność Energii | Le | W/m 2 sr | |
odbiornik promieniowania | Irradiancja (oświetlenie energetyczne) | e e | W/m2 |
Energetyczna ilość oświetlenia | On | J / m 2 |
Pod wpływem promieniowania laserowego zostaje zaburzona czynność życiowa zarówno poszczególnych narządów, jak i całego organizmu. Obecnie ustalono specyficzny wpływ promieniowania laserowego na obiekty biologiczne, który różni się od wpływu innych niebezpiecznych przemysłowych czynników fizycznych i chemicznych. Pod wpływem promieniowania laserowego na ciągłą strukturę biologiczną (na przykład na organizm człowieka) wyróżnia się trzy etapy: fizyczny, fizykochemiczny i chemiczny.
Na pierwszym etapie ( fizyczny) zachodzą oddziaływania promieniowania z materią, których charakter zależy od anatomicznych, optyczno-fizycznych i funkcjonalnych cech tkanek, a także od charakterystyki energetycznej i przestrzennej promieniowania, a przede wszystkim od długości fali i natężenia promieniowanie. Na tym etapie substancja jest podgrzewana, energia promieniowania elektromagnetycznego jest przekształcana w drgania mechaniczne, jonizację atomów i cząsteczek, wzbudzenie i przejście elektronów z poziomów walencyjnych do pasma przewodnictwa, rekombinację wzbudzonych atomów itp. Kiedy w przypadku ekspozycji na ciągłe promieniowanie laserowe dominuje termiczny mechanizm działania, w wyniku którego dochodzi do koagulacji białek, a przy dużej mocy do odparowania tkanki biologicznej. W trybie pulsacyjnym (z czasem trwania impulsu<10 -2 с) механизм взаимодействия становится более сплошным и приводит к переходу энергии излучения в энергию механических колебаний среды, в частности ударной волны. При мощности излучения свыше 10 7 Вт и высокой степени фокусировки лазерного луча возможно возникновение ионизирующих излучений.
Na drugim etapie ( fizyczne i chemiczne ) z jonów i wzbudzonych cząsteczek powstają wolne rodniki, które mają dużą zdolność do reakcji chemicznych.
Na trzecim etapie ( chemiczny ) wolne rodniki reagują z cząsteczkami substancji tworzących żywą tkankę iw tym przypadku dochodzi do uszkodzeń molekularnych, które dodatkowo determinują całościowy obraz oddziaływania promieniowania laserowego na naświetlaną tkankę i organizm jako całość. Schematycznie główne czynniki determinujące biologiczny efekt promieniowania laserowego można przedstawić w następujący sposób:
Promieniowanie laserowe stanowi zagrożenie głównie dla tkanek bezpośrednio absorbujących promieniowanie, dlatego z punktu widzenia potencjalnego zagrożenia narażenia i możliwości ochrony przed promieniowaniem laserowym rozważa się głównie oczy i skórę.
Rogówka i soczewka oka są bardzo wrażliwe na promieniowanie elektromagnetyczne, a układ optyczny oka jest w stanie zwiększyć gęstość energii w zakresie widzialnym i bliskiej podczerwieni w dnie oka w stosunku do rogówki o kilka rzędów wielkości.
Długotrwałe działanie promieniowania laserowego w zakresie widzialnym (niewiele mniejszym niż próg oparzenia) na siatkówkę oka może spowodować w niej nieodwracalne zmiany, aw zakresie bliskiej podczerwieni może doprowadzić do zmętnienia soczewki. Komórki siatkówki nie regenerują się po uszkodzeniu.
Działanie promieniowania laserowego na skórę, w zależności od początkowej pochłoniętej energii, prowadzi do powstania różnych zmian: od łagodnego rumienia (zaczerwienienia) do powierzchownego zwęglenia, aw końcu do powstania głębokich ubytków skóry.
Wyróżnić 6 rodzajów wpływu LI na żywy organizm :
1) działanie termiczne (termiczne). Podczas ogniskowania promieniowania laserowego w niewielkiej objętości uwalniana jest znaczna ilość ciepła w krótkim czasie;
2) działanie energetyczne. Określony przez duży gradient pola elektrycznego ze względu na dużą gęstość mocy. To działanie może powodować polaryzację cząsteczek, rezonans i inne efekty.;
3) działanie fotochemiczne. Objawia się blaknięciem wielu barwników;
4) działanie mechaniczne. Przejawia się to występowaniem w naświetlanym organizmie drgań ultradźwiękowych.
5) elektrostrykcja - deformacja cząsteczek w polu elektrycznym promieniowania laserowego;
6) powstawanie w komórce mikrofalowego pola elektromagnetycznego.
Ekspozycje energetyczne są akceptowane jako maksymalne dopuszczalne poziomy (MPL) ekspozycji. Do zdalnego sterowania ciągłym promieniowaniem laserowym należy wybrać naświetlanie energią o najmniejszej wartości, która nie powoduje pierwotnych i wtórnych efektów biologicznych (uwzględniając długość fali i czas trwania naświetlania). W przypadku promieniowania o powtarzalnych impulsach granica narażenia jest obliczana z uwzględnieniem częstotliwości powtarzania i efektu serii impulsów.
Podczas obsługi laserów oprócz promieniowania laserowego pojawiają się inne rodzaje zagrożeń. Są to uwalnianie szkodliwych chemikaliów, hałas, wibracje, pola elektromagnetyczne, promieniowanie jonizujące itp.
WSTĘP
1.2 LASER PÓŁPRZEWODNIKOWY
1.3 LASER CIEKŁY
1.3.1 LASERY BARWNIKOWE
1.4 LASER CHEMICZNY I INNE
1.5 MOCNE LASERY
2. WYKORZYSTANIE LASERÓW
2.3 HOLOGRAFIA
2.3.3 ZASTOSOWANIA HOLOGRAFII
WNIOSEK
ZASADA DZIAŁANIA LASERA
Promieniowanie laserowe to blask obiektów w normalnych temperaturach. Ale w normalnych warunkach większość atomów znajduje się w najniższym stanie energetycznym. Dlatego substancje nie świecą w niskich temperaturach. Kiedy fala elektromagnetyczna przechodzi przez substancję, jej energia jest pochłaniana. Ze względu na pochłoniętą energię fali niektóre atomy są wzbudzane, to znaczy przechodzą w stan o wyższej energii. W tym przypadku część energii jest pobierana z wiązki światła:
gdzie hν jest wartością odpowiadającą ilości zużytej energii,
E2 - energia o najwyższym poziomie energetycznym,
E1 - energia najniższego poziomu energetycznego.
Wzbudzony atom może w zderzeniu oddać swoją energię sąsiednim atomom lub wyemitować foton w dowolnym kierunku. Teraz wyobraźmy sobie, że w jakiś sposób wzbudziliśmy większość atomów w środowisku. Następnie, przechodząc przez substancję fali elektromagnetycznej o określonej częstotliwości
Gdzie w- częstotliwość fali,
E2 - E1 - różnica między energiami wyższego i niższego poziomu,
H- długość fali,
fala ta nie zostanie osłabiona, ale wręcz przeciwnie, zostanie wzmocniona z powodu indukowanego promieniowania. Pod jego wpływem atomy konsekwentnie przechodzą w stany o niższej energii, emitując fale, których częstotliwość i faza pokrywają się z falą padającą.
LASER PÓŁPRZEWODNIKOWY
W latach sześćdziesiątych półprzewodniki uznano za doskonały materiał na lasery.
Jeśli połączysz ze sobą dwie płytki półprzewodników różnych typów, wówczas pośrodku utworzy się strefa przejściowa. Atomy zawartej w nim substancji mogą być wzbudzane, gdy prąd elektryczny przepływa przez strefę i generować światło. Zwierciadłami niezbędnymi do uzyskania promieniowania laserowego mogą być polerowane i posrebrzane krawędzie samego kryształu półprzewodnikowego.
Wśród tych laserów za najlepszy uważany jest laser oparty na arsenku galu - związku rzadkiego pierwiastka galu z arsenem. Jego promieniowanie podczerwone ma moc do dziesięciu watów. Jeśli laser ten zostanie schłodzony do temperatury ciekłego azotu (-200°), jego moc promieniowania może wzrosnąć dziesięciokrotnie. Oznacza to, że przy powierzchni warstwy emitującej 1 cm2 moc promieniowania osiągnęłaby milion watów. Ale półprzewodnik z warstwą przejściową tego rozmiaru jest nadal niemożliwy do wyprodukowania ze względów technicznych.
Atomy półprzewodnikowe można wzbudzać wiązką elektronów (podobnie jak w laserach na ciele stałym - lampą błyskową). Elektrony wnikają głęboko w substancję, wzbudzając więcej atomów; okazuje się, że szerokość strefy promieniującej jest setki razy większa niż w przypadku wzbudzenia prądem elektrycznym. Dlatego moc promieniowania takich laserów pompowanych elektronami sięga już dwóch kilowatów.
Niewielkie rozmiary laserów półprzewodnikowych sprawiają, że doskonale nadają się do zastosowań, w których potrzebne jest miniaturowe źródło światła o dużej mocy.
CIEKŁY LASER
W ciałach stałych możliwe jest wytworzenie dużej koncentracji promieniujących atomów, a tym samym uzyskanie dużej energii z jednego centymetra sześciennego pręta. Ale są trudne do wykonania, są drogie, a poza tym mogą pęknąć z powodu przegrzania podczas pracy.
Gazy są bardzo jednorodne optycznie, rozpraszanie światła w nich jest niewielkie, więc rozmiary lasera gazowego mogą być dość imponujące: długość 10 metrów przy średnicy 10-20 centymetrów nie jest dla niego granicą. Ale taki wzrost wielkości nikomu się nie podoba. Jest to wymuszony środek niezbędny do skompensowania znikomej ilości aktywnych atomów gazu w tubie laserowej pod ciśnieniem setnych części atmosfery. Pompowanie gazu nieco ratuje sprawę, pozwalając zmniejszyć rozmiar emitera.
Ciecze łączą w sobie zalety zarówno stałych, jak i gazowych materiałów laserowych: ich gęstość jest tylko dwa lub trzy razy mniejsza niż gęstość ciał stałych (a nie setki tysięcy razy, jak gęstość gazów). Dlatego liczba ich atomów na jednostkę objętości jest w przybliżeniu taka sama. Oznacza to, że łatwo jest stworzyć laser płynny o mocy porównywalnej z laserem na ciele stałym. Optyczna jednorodność cieczy nie ustępuje jednorodności gazów, co oznacza, że można go stosować w dużych objętościach. Ponadto ciecz może być również pompowana przez objętość roboczą, stale utrzymując jej niską temperaturę i wysoką aktywność jej atomów.
LASERY BARWNIKOWE
Nazywa się je tak, ponieważ ich płynem roboczym jest roztwór barwników anilinowych w wodzie, alkoholu, kwasie i innych rozpuszczalnikach. Ciecz wlewa się do płaskiej kuwety. Kuweta jest instalowana między lustrami. Energia cząsteczki barwnika jest pompowana optycznie, ale zamiast lampy błyskowej zastosowano najpierw pulsacyjne lasery rubinowe, a później lasery gazowe. Laser pompujący nie jest wbudowany w laser cieczowy, ale jest umieszczony na zewnątrz lasera, wprowadzając swoją wiązkę do kuwety przez okienko w obudowie. Teraz można było uzyskać generowanie światła za pomocą lampy błyskowej, ale nie na wszystkich barwnikach. Roztwory mogą emitować impulsy światła o różnych długościach fal – od ultrafioletu po podczerwień – i mocy od setek kilowatów do kilku megawatów (milionów watów), w zależności od tego, jaki barwnik zostanie wlany do kuwety. Lasery barwnikowe mają jedną cechę. Wszystkie lasery emitują ściśle na tej samej długości fali. Właściwość ta leży w samej naturze wymuszonej emisji atomów, na której opiera się cały efekt lasera. W dużych i ciężkich cząsteczkach barwników organicznych emisja wymuszona zachodzi natychmiast w szerokim paśmie długości fal. Aby uzyskać monochromatyczność lasera barwnikowego, na ścieżce wiązki znajduje się filtr światła. To nie tylko malowane szkło. Jest to zestaw szklanych płytek, przez które przechodzi tylko światło o jednej długości fali. Zmieniając odległość między płytkami, można nieznacznie zmienić długość fali promieniowania laserowego. Taki laser nazywa się przestrajalny. A żeby laser mógł generować światło w różnych częściach widma - przełączać się np. ze światła niebieskiego na czerwone albo z ultrafioletu na zielony - wystarczy zmienić kuwetę z płynem roboczym. Okazały się najbardziej obiecujące w badaniu struktury materii. Dostrajając częstotliwość promieniowania, możesz dowiedzieć się, jaka długość fali światła jest pochłaniana lub rozpraszana wzdłuż ścieżki wiązki. W ten sposób można określić skład atmosfery i chmur z odległości nawet dwustu kilometrów, zmierzyć zanieczyszczenie wody czy powietrza, wskazując od razu, jakiej wielkości cząstki je zanieczyszczają. Oznacza to, że możliwe jest zbudowanie urządzenia, które automatycznie i w sposób ciągły kontroluje czystość wody i powietrza.
Ale oprócz szerokopasmowych laserów cieczowych są też takie, w których monochromatyczność jest znacznie wyższa niż laserów na ciele stałym lub na gazie.
Długość fali światła lasera może się zmieniać, skracać i wydłużać o około jedną setną (dla dobrych laserów). Im mniejsza odległość między zwierciadłami, tym szersze jest to pasmo. Na przykład dla laserów półprzewodnikowych jest to już kilka długości fal, a dla lasera opartego na solach neodymu to pasmo wynosi jedną dziesięciotysięczną. Taką stałość długości fali można uzyskać tylko za pomocą dużych laserów gazowych, a nawet wtedy, jeśli zostaną podjęte wszystkie niezbędne środki: zapewnienie stabilności temperatury rury, siły prądu, który ją zasila, oraz zawierać w obwodzie lasera system automatycznego dostosowywania długości fali promieniowania. W takim przypadku moc promieniowania powinna być minimalna: w miarę jej wzrostu pasmo rozszerza się. Z kolei w ciekłym laserze neodymowym samoistnie uzyskuje się wąskie pasmo emisji, które utrzymuje się nawet przy zauważalnym wzroście mocy promieniowania, a to jest niezwykle ważne dla wszelkiego rodzaju dokładnych pomiarów.
Dlatego dokładność pomiarów zależy od tego, jak dokładnie zachowana jest długość fali światła emitowanego przez laser. Stokrotne zmniejszenie szerokości pasma lasera obiecuje stukrotny wzrost dokładności pomiaru długości.
LASER CHEMICZNY I INNE
Poszukiwania nowych laserów, nowych sposobów na zwiększenie mocy promieniowania laserowego, prowadzone są w różnych kierunkach. Wśród nich jest na przykład pompowany chemicznie generator kwantowy, którego pierwsza wersja powstała w Instytucie Fizyki Chemicznej Akademii Nauk ZSRR w laboratorium członka korespondenta Akademii Nauk V. L. Talroze. W takim laserze podczas reakcji fluoru F z wodorem H2 lub deuterem D2 powstające cząsteczki HF lub DF przechodzą na wysoki poziom energetyczny. Schodząc z tego poziomu wytwarzają promieniowanie laserowe – cząsteczki HF o długości fali 2700 nm, cząsteczki DF – o długości fali 3600 nm. W laserach tego typu osiągane są moce do 10 kW.
W jednym ze stosunkowo silnych powtarzalnie impulsowych laserów gazowych jako substancję roboczą stosuje się parę miedzi o temperaturze 1500°C lub w prostszej wersji parę soli miedzi o temperaturze 400°C. Pompowanie odbywa się za pomocą energii elektronów poruszających się w wyładowaniu gazowym. Promieniowanie laserowe występuje podczas przejścia atomów miedzi ze stanu wzbudzonego do jednego z dwóch stanów metastabilnych iw tym przypadku możliwe jest promieniowanie przy dwóch długościach fali 510,6 nm i 578,2 nm, odpowiadających dwóm odcieniom zieleni. W rezonatorze, który jest intensywnie pompowaną rurą o średnicy 5 cm i długości 1 m, uzyskano moc impulsu 40 kW przy czasie trwania impulsu 15–20 ns, częstotliwości powtarzania 10–100 kHz, średniej mocy kilkudziesięciu watów i sprawności powyżej 1% - Trwają prace nad zwiększeniem średniej mocy lasera „miedzianego” do 1 kW.
Specjalną klasę tworzą potężne lasery barwnikowe, których główną zaletą jest możliwość płynnej zmiany częstotliwości. Zastosowane w nich płynne media mają „rozmyte” poziomy energii i umożliwiają generowanie na wielu częstotliwościach. Wyboru jednego z nich można dokonać zmieniając parametry rezonatora, np. obracając znajdujący się w nim pryzmat. Jeżeli do pompowania zastosuje się silne źródła promieniowania, w szczególności lasery impulsowe i prowadzi się intensywną cyrkulację ciekłego barwnika, wówczas możliwe staje się stworzenie laserów przestrajalnych o średniej mocy rzędu 100 W i powtarzalności impulsów częstotliwość 10–50 kHz.
Jeśli chodzi o perspektywy, najczęściej nazywany jest laserem jodowym, w którego rezonatorze rozpada się związek jodu, fluoru i węgla CF3J lub bardziej złożone cząsteczki dysocjujące pod działaniem pompowania ultrafioletu. Oddzielone atomy jodu znajdują się w stanie wzbudzonym, a następnie emitują promieniowanie laserowe w podczerwieni o długości fali 1315 nm. Często nazywane są również lasery oparte na tak zwanych cząsteczkach ekscymerowych, które na ogół mogą znajdować się tylko w stanie wzbudzonym. Podczas procesu pompowania energia jest zużywana na łączenie różnych atomów w cząsteczkę, a jednocześnie natychmiast okazuje się, że jest wzbudzona, gotowa do promieniowania. A po rezygnacji z kwantu promieniowania, przyczynieniu się do powstania wiązki laserowej, cząsteczka ekscymeru po prostu rozpada się, a jej atomy niemal natychmiast rozpadają się. Pierwszy laser ekscymerowy powstał dziesięć lat temu w laboratorium akademika N. G. Basowa, promieniowanie lasera ultrafioletowego o długości fali 176 nm uzyskano tutaj przez wzbudzenie ciekłego ksenonu Xe2 silną wiązką elektronów. Pięć lat później w kilku amerykańskich laboratoriach uzyskano promieniowanie laserowe na innych cząsteczkach ekscymerowych, głównie związkach gazów obojętnych z halogenkami, np. XeF, XeCl, XeBr, KrF i inne. Lasery ekscymerowe działają zarówno w zakresie widzialnym, jak i ultrafioletowym i pozwalają na pewne zmiany częstotliwości. Powstały lasery o sprawności 10% i energii 200 J na impuls.
MOCNE LASERY
Jednym z głównych nurtów rozwoju współczesnej fizyki stosowanej jest wytwarzanie coraz większych gęstości energii i poszukiwanie sposobów jej uwalniania w coraz krótszym czasie. Szybki postęp elektroniki kwantowej doprowadził do powstania dużej rodziny potężnych laserów. Potężne lasery otworzyły zasadniczo nowe możliwości zarówno uzyskiwania rekordowych stężeń energii w czasie i przestrzeni, jak i bardzo wygodnego dostarczania materii energii świetlnej. Zanim zapoznamy się z konkretnymi rezultatami tworzenia laserów dużej mocy, warto przypomnieć, że można je podzielić na trzy grupy - pulsacyjne, powtarzalnie pulsacyjne i cw. Pierwsze emitują światło pojedynczymi impulsami, drugie ciągłymi seriami impulsów, a wreszcie trzecie dają promieniowanie ciągłe.
Moc jest cechą względną, mówi o tym, jaka praca jest wykonywana, jaka energia jest zużywana lub odbierana w jednostce czasu. Jednostką mocy, jak wiadomo, jest wat (W) - odpowiada on energii 1 J uwolnionej w ciągu 1 sekundy (s). Jeżeli uwalnianie tej energii wydłuży się o 10 s, to na każdą sekundę potrzebne będzie tylko 0,1 J, a w konsekwencji moc wyniesie 0,1 W. Cóż, jeśli 1 J energii zostanie uwolniony w ciągu jednej setnej sekundy, wówczas moc wyniesie 100 watów. Bo przy takim natężeniu procesu na sekundę wydawano by 100 J. Na to „by” nie trzeba zwracać uwagi – przy wyznaczaniu mocy nie ma znaczenia, że proces trwał tylko jedną setną druga i niewiele energii zostało uwolnione w tym czasie. Władza nie mówi o całkowitym, ostatecznym działaniu, ale o jego intensywności, o jego koncentracji w czasie. Jeśli praca trwała wystarczająco długo, przynajmniej dłużej niż sekundę, to moc wskazuje, że tak naprawdę została wykonana w ciągu jednej sekundy.
W laserze pulsacyjnym promieniowanie trwa bardzo krótko, kilka nieznaczących ułamków sekundy, a nawet przy niewielkiej emitowanej energii proces okazuje się być mocno skompresowany, skoncentrowany w czasie, a moc jest ogromna. Oto, na przykład, co wydarzyło się w pierwszym laserze, w pierwszym laserze rubinowym, stworzonym w 1960 roku: emitował on impuls światła o energii około 1 J i czasie trwania 1 ms (milisekunda, tysięczna część sekunda), czyli moc impulsu wynosiła 1 kW. Po pewnym czasie pojawiły się lasery, które emitowały ten sam dżul energii w znacznie krótszym impulsie – do 10 ns (nanosekunda, miliardowa część sekundy). W tym samym czasie moc impulsu o energii tego samego dżula osiągnęła już 100 000 kW. To jeszcze nie kujbyszewska elektrownia jądrowa, która ma moc 2 mln kW, ale już elektrownia dla małego miasteczka. Z tą różnicą oczywiście, że laser rozwija tę ogromną moc dopiero w miliardowych częściach sekundy, a elektrownia – nieprzerwanie przez całą dobę. Obecne lasery wytwarzają impulsy o długości do 0,01 ns, a przy tej samej energii 1 J ich moc sięga 100 mln kW.
Wiązka laserowa to strumień wyłącznie uporządkowanego spójnego promieniowania, silnie ukierunkowanego, skoncentrowanego w obrębie małego kąta bryłowego. Za te wszystkie cechy płacimy tak wysoką cenę – wydajność laserów to ułamki procenta, aw najlepszym przypadku kilka procent, czyli na każdy dżul energii pompy trzeba wydać dziesiątki, a nawet setki dżuli energii promieniowanie laserowe. Ale często nawet tak wysoka opłata jest w pełni uzasadniona – tracąc ilość, zyskujemy jakość. W szczególności spójność i kierunkowość wiązki laserowej, połączona z późniejszym ogniskowaniem w bardzo małej objętości, np. krótkich impulsów, umożliwia uzyskanie ogromnych gęstości energii. Przypomina to Tabela 1. Z tabeli wynika, że koncentracja energii w zogniskowanej wiązce laserowej dużej mocy jest tylko tysiąc razy mniejsza niż swego rodzaju rekordowa wartość dla całkowitego unicestwienia materii o normalnej gęstości, całkowitego przekształcenia masy w energia. Zwiększenie mocy laserów wiąże się z pewnymi ogólnymi problemami, przede wszystkim z właściwościami płynu roboczego, czyli samej substancji, w której rodzi się promieniowanie. Ale są też problemy charakterystyczne dla laserów impulsowych, pulsujących powtarzalnie i cw. Na przykład w przypadku laserów impulsowych jednym z ważnych problemów jest stabilność elementów optycznych w silnym polu świetlnym o bardzo krótkich impulsach. W przypadku laserów cw i laserów impulsowych powtarzalnych problem odprowadzania ciepła jest bardzo ważny, ponieważ lasery te rozwijają wysoką średnią moc. W przypadku lasera pracującego w trybie długich impulsów moc impulsu wskazuje, jak energia jednego impulsu koncentruje się w czasie, a średnia wskazuje pracę wykonaną przez serię impulsów trwających sekundę. Na przykład, jeśli laser wytwarza 20 impulsów na sekundę o czasie trwania 1 ms i energii 1 J każdy, wówczas moc impulsu wyniesie 1 kW, a średnia - 20 W.
Wszystkie typy laserów zaczynały się od raczej skromnych wskaźników energii i często były udoskonalane na różne sposoby. W szczególności pierwszy laser pulsacyjny działał w trybie swobodnym - lawina promieniowania laserowego spontanicznie w nim powstawała i ponownie samoistnie zatrzymywała się po zakończeniu wzbudzenia. Impuls trwał długo jak na dzisiejsze standardy, co determinowało stosunkowo niską moc impulsu.
Kilka lat później nauczyli się sterować generacją metodą Q-switching, wprowadzając do rezonatora ogniwo Kerra lub inny podobny element, który pod wpływem napięcia elektrycznego zmienia swoje właściwości optyczne. W stanie normalnym komórka jest zamknięta, nieprzezroczysta, aw rezonatorze nie pojawia się lawina laserowa. Dopiero pod działaniem krótkiego impulsu elektrycznego komórka otwiera się, aw ośrodku roboczym pojawia się krótki impuls laserowy. Jego czas trwania może być tylko kilkukrotnie dłuższy niż czas przejścia światła między zwierciadłami laserowymi, czyli może wynosić 10–20 ns.
Ta metoda dała zauważalny wzrost mocy impulsu dzięki skróceniu czasu trwania impulsu. Bardzo krótkie impulsy, do pikosekund, odbierane są w trybie synchronizacji, czyli innymi słowy w trybie blokowania trybu. Tutaj do rezonatora wprowadza się specjalny element nieliniowy, który zachowuje się inaczej, jest nierównomiernie wybielony dla impulsów promieniowania o różnym natężeniu i niejako wycina bardzo krótkie pikosekundowe impulsy natężenia z nanosekundowego impulsu świetlnego.
APLIKACJE LASEROWE
ZASTOSOWANIE LASERÓW W MEDYCYNIE
W medycynie systemy laserowe znalazły zastosowanie w postaci laserowego skalpela. Jego zastosowanie do operacji chirurgicznych zależy od następujących właściwości:
1. Wykonuje stosunkowo bezkrwawe cięcie, ponieważ jednocześnie z dysekcją tkanek koaguluje brzegi rany poprzez „zgrzewanie” niezbyt dużych naczyń krwionośnych;
2. Skalpel laserowy ma stabilne właściwości tnące. Uderzenie w twardy przedmiot (taki jak kość) nie wyłącza skalpela. Dla mechanicznego skalpela taka sytuacja byłaby śmiertelna;
3. Wiązka lasera dzięki swojej przezroczystości pozwala chirurgowi zobaczyć operowany obszar. Ostrze zwykłego skalpela, podobnie jak ostrze noża elektrycznego, zawsze w pewnym stopniu blokuje pole pracy chirurga;
4. Promień lasera przecina tkankę na odległość bez mechanicznego wpływu na tkankę;
5. Laserowy skalpel zapewnia całkowitą sterylność, ponieważ tylko promieniowanie oddziałuje z tkanką;
6. Wiązka lasera działa ściśle lokalnie, parowanie tkanek następuje tylko w ognisku. Sąsiednie obszary tkanek są uszkadzane znacznie mniej niż przy użyciu mechanicznego skalpela;
7. Jak pokazuje praktyka kliniczna, rana skalpela laserowego prawie nie boli i goi się szybciej.
Praktyczne zastosowanie laserów w chirurgii rozpoczęło się w ZSRR w 1966 roku w Instytucie AV Wiszniewskiego. Skalpel laserowy był używany w operacjach narządów wewnętrznych klatki piersiowej i jamy brzusznej. Obecnie wiązką laserową wykonuje się operacje skórno-plastyczne, operacje przełyku, żołądka, jelit, nerek, wątroby, śledziony i innych narządów. Bardzo kuszące jest przeprowadzanie operacji za pomocą lasera na narządach zawierających dużą liczbę naczyń krwionośnych, na przykład na sercu, wątrobie.
Obecnie intensywnie rozwija się nowy kierunek w medycynie – laserowa mikrochirurgia oka. Badania w tym zakresie prowadzone są w Odeskim Instytucie Chorób Oczu im. V.P. Fiłatowa, w Moskiewskim Instytucie Badawczym Mikrochirurgii Oka oraz w wielu innych „okulistycznych ośrodkach” krajów Wspólnoty Narodów.Pierwsze zastosowanie laserów w okulistyce było związane z leczeniem odwarstwienia siatkówki. Impulsy świetlne z lasera rubinowego są wysyłane do wnętrza oka przez źrenicę (energia impulsu 0,01 - 0,1 J, czas trwania rzędu 0,1 s.). Swobodnie przenikają przez przezroczyste ciało szkliste i są wchłaniane przez siatkówkę. Poprzez skupienie promieniowania na złuszczonym obszarze, ten ostatni zostaje „zgrzany” z dnem w wyniku koagulacji. Operacja jest szybka i całkowicie bezbolesna.
Ogólnie wyróżnia się pięć najpoważniejszych chorób oczu prowadzących do ślepoty. Są to jaskra, zaćma, odwarstwienie siatkówki, retinopatia cukrzycowa i nowotwór złośliwy. Obecnie wszystkie te choroby są skutecznie leczone laserami, a do leczenia nowotworów opracowano i zastosowano tylko trzy metody:
1. Naświetlanie laserem – naświetlanie guza rozogniskowaną wiązką lasera, prowadzące do śmierci komórek nowotworowych, utraty zdolności do rozmnażania się
2. Koagulacja laserowa - zniszczenie guza przez średnio skupione promieniowanie.
3. Chirurgia laserowa jest metodą najbardziej radykalną. Polega na wycięciu guza wraz z przylegającymi tkankami za pomocą zogniskowanego promieniowania.
HOLOGRAFIA
POCHODZENIE HOLOGRAFII
Metoda fotografowania służąca do zapisywania obrazu przedmiotów jest znana od dawna i obecnie jest to najtańszy sposób na uzyskanie obrazu obiektu na dowolnym nośniku (papier fotograficzny, klisza). Jednak informacje zawarte na fotografii są bardzo ograniczone. W szczególności brakuje informacji o odległościach poszczególnych części obiektu od kliszy fotograficznej i innych ważnych cechach. Innymi słowy, zwykła fotografia nie pozwala w pełni odtworzyć zarejestrowanego na niej czoła fali. Zdjęcie zawiera mniej lub bardziej dokładne informacje o amplitudach zarejestrowanych fal, ale zupełnie brakuje informacji o fazach fal. Holografia pozwala wyeliminować tę wadę zwykłej fotografii i zapisać na kliszy fotograficznej informacje nie tylko o amplitudach padających na nią fal, ale także o fazach, czyli pełnej informacji. Fala odtworzona za pomocą takiego nagrania jest całkowicie identyczna z oryginalną, zawiera wszystkie informacje, które zawierała oryginalna fala. Dlatego metodę nazwano holografią, czyli metodą pełnego zapisu falowego. Aby wdrożyć tę metodę w zakresie światła, konieczne jest posiadanie promieniowania o odpowiednio wysokim stopniu koherencji. Takie promieniowanie można uzyskać za pomocą lasera. Dlatego dopiero po stworzeniu laserów wytwarzających promieniowanie o wysokim stopniu koherencji możliwe było zastosowanie holografii w praktyce. Idea holografii została wysunięta już w 1920 roku przez polskiego fizyka M. Wolfke (1883-1947), ale została zapomniana. W 1947 roku, niezależnie od Wolfkego, ideę holografii zaproponował i uzasadnił angielski fizyk D. Gabor, któremu w 1971 roku przyznano za to Nagrodę Nobla.
METODY HOLOGRAFICZNE
Mówiąc o procesie tworzenia obrazu holograficznego, należy wyróżnić etapy holografii:
1. Rejestracja zarówno charakterystyki amplitudowej, jak i fazowej pola falowego odbitego od obiektu obserwacji. Rejestracja ta odbywa się na kliszach fotograficznych, które nazywane są hologramami.
2. Wydobycie z hologramu informacji o obiekcie, który jest na nim zarejestrowany. W tym celu hologram jest oświetlany wiązką światła.
Istnieje kilka sposobów realizacji tych kroków w praktyce.
Najpowszechniejsze z nich to metoda fali płaskiej i metoda zderzającej się wiązki.
Standardowy wzór interferencji uzyskuje się przez interferencję spójnych fal świetlnych. Zatem, aby zarejestrować zależności fazowe w polu falowym, które uzyskuje się w wyniku odbicia fali od obiektu obserwacji, konieczne jest, aby obiekt był oświetlony promieniowaniem monochromatycznym i przestrzennie spójnym. Wówczas pole rozproszone przez obiekt w przestrzeni również będzie miało takie właściwości.
Jeśli do badanego pola wytwarzanego przez obiekt dodamy pole pomocnicze o tej samej częstotliwości, na przykład falę płaską (zwykle nazywa się to fala odniesienia), wówczas w całej przestrzeni, w której przecinają się obie fale, tworzy się złożony, ale stacjonarny rozkład obszarów wzajemnego wzmocnienia i tłumienia fal, czyli stacjonarny obraz interferencyjny, który można już utrwalić na kliszy fotograficznej.
Aby odtworzyć obraz holograficzny zarejestrowany już na hologramie, należy go oświetlić tą samą wiązką lasera, która została użyta podczas rejestracji. Obraz obiektu powstaje w wyniku dyfrakcji światła na niejednorodnym wyczernieniu hologramu.
W 1962 roku radziecki naukowiec Yu N. Denisyuk zaproponował metodę uzyskiwania obrazów holograficznych, która jest rozwinięciem metody holografii kolorowej, która wówczas praktycznie nie była stosowana. Lippmanna. Obiekt obserwacji oświetlany jest przez kliszę fotograficzną (jest ona całkowicie przezroczysta dla światła nawet w stanie nie wywołanym). Szklane podłoże kliszy fotograficznej jest pokryte emulsją fotograficzną o grubości warstwy około 15 - 20 mikronów. Pole falowe odbite od obiektu rozchodzi się wstecz w kierunku fotograficznej warstwy emulsji. Początkowa wiązka światła z lasera idąca w kierunku tej fali pełni rolę fali odniesienia. Dlatego metoda ta nazywana jest metodą zderzającej się wiązki. Interferencja fal zachodząca w grubości emulsji fotograficznej powoduje jej warstwowe zaczernienie, które rejestruje rozkład zarówno amplitud, jak i faz pola falowego rozpraszanego przez obiekt obserwacji. Holografia kolorowa opiera się na holografii metodą zderzających się wiązek światła. Aby zrozumieć zasadę działania holografii kolorowej, należy przypomnieć sobie, w jakich przypadkach ludzkie oko postrzega obraz w kolorze, a nie w czerni i bieli.
Eksperymenty dotyczące fizjologii widzenia wykazały, że osoba widzi obraz w kolorze lub przynajmniej zbliżony do naturalnego koloru przedmiotu, jeśli jest on odtworzony w co najmniej trzech kolorach, na przykład w kolorze niebieskim, czerwonym i zielonym. Połączenie tych kolorów odbywa się za pomocą najbardziej prymitywnej reprodukcji kolorów, wykonywanej metodą litografie(w przypadku wysoce artystycznych reprodukcji stosuje się 10 - 15 kolorowych odbitek)
Biorąc pod uwagę specyfikę ludzkiej percepcji, w celu przywrócenia kolorowego obrazu obiektu konieczne jest oświetlenie samego obiektu podczas rejestracji hologramu jednocześnie lub sekwencyjnie promieniowaniem laserowym z trzech linii widmowych odpowiednio oddalonych od siebie w długościach fal. Następnie w grubości emulsji fotograficznej formują się trzy układy fal stojących i odpowiednio trzy układy siatek przestrzennych o różnym rozkładzie zaczernienia. Każdy z tych systemów będzie tworzył obraz obiektu we własnym obszarze spektralnym koloru białego używanego do rekonstrukcji obrazu. Dzięki temu rozbieżna wiązka światła białego odbita od przetworzonego hologramu w wyniku nałożenia się trzech odcinków widma wytworzy kolorowy obraz obiektu, co odpowiada minimalnym fizjologicznym wymaganiom ludzkiego wzroku. Holografia Denisyuka jest szeroko stosowana do uzyskiwania wysokiej jakości trójwymiarowych kopii różnych przedmiotów, takich jak unikalne dzieła sztuki.
ZASTOSOWANIA HOLOGRAFII
Jak już wspomniano, początkowym zadaniem holografii było uzyskanie trójwymiarowego obrazu. Wraz z rozwojem holografii na płytach grubowarstwowych stało się możliwe tworzenie trójwymiarowych kolorowych fotografii. Na tej podstawie badane są sposoby realizacji holograficznego kina, telewizji itp. Jedna z metod holografii stosowanej, zwana interferometrią holograficzną, stała się bardzo rozpowszechniona. Istota metody jest następująca. Na jednej kliszy fotograficznej rejestrowane są sekwencyjnie dwa wzory interferencyjne, odpowiadające dwóm różnym, ale nieco różnym stanom obiektu, np. podczas deformacji. Przy oświetleniu takiego „podwójnego” hologramu powstają oczywiście dwa obrazy obiektu, zmienione względem siebie w takim samym stopniu, jak obiekt w swoich dwóch stanach.
Zrekonstruowane fale tworzące te dwa obrazy są spójne i interferują, a na nowym obrazie obserwuje się prążki interferencyjne, które charakteryzują zmianę stanu obiektu. W innej wersji hologram jest wykonywany dla określonego stanu obiektu. Gdy jest przezroczysty, jego przedmiot nie jest usuwany i jest ponownie oświetlany, jak w pierwszym etapie holografii. Następnie ponownie uzyskuje się dwie fale, jedna tworzy obraz holograficzny, a druga rozchodzi się od samego obiektu. Jeśli teraz zachodzą jakieś zmiany w stanie obiektu (w dwóch kolejnych falach jest różnica w porównaniu z tym, co było podczas naświetlania hologramu), to pomiędzy wskazanymi pociągnięciami, a obraz pokryty jest prążkami interferencyjnymi.
Opisana metoda służy do badania odkształceń obiektów, ich drgań, ruchu postępowego i obrotowego, niejednorodności obiektów przezroczystych itp. Obraz interferencyjny wyraźnie wskazuje na różnice w odkształceniach, naprężeniach w ciele, momentach skręcających, rozkładzie temperatury itp. Holografia może być wykorzystany do zapewnienia dokładności obróbki części.
WNIOSEK
Laser jest jednym z najpotężniejszych narzędzi współczesnej nauki. Nie sposób wymienić wszystkich obszarów jego zastosowania, ponieważ każdego dnia odkrywane są nowe zadania dla lasera.
W tym artykule rozważyliśmy główne typy laserów i zasadę ich działania. Omówiono również główne obszary zastosowań, a mianowicie: przemysł, medycynę, informatykę, naukę.
Tak różnorodne zadania mogą być wykonywane za pomocą lasera ze względu na jego właściwości. Spójność, monochromatyczność, wysoka gęstość energii umożliwiają rozwiązywanie złożonych operacji technologicznych.
Laser to narzędzie przyszłości, które już mocno wkroczyło w nasze życie.
WSTĘP
1. ZASADA DZIAŁANIA I RODZAJE LASERÓW
1.1 GŁÓWNE WŁAŚCIWOŚCI WIĄZKI LASEROWEJ
1.2 LASER PÓŁPRZEWODNIKOWY
1.3 LASER CIEKŁY
1.3.1 LASERY BARWNIKOWE
1.4 LASER CHEMICZNY I INNE
1.5 MOCNE LASERY
1.5.1 INSTALACJE WIELOSTOPNIOWE I WIELOKANAŁOWE
2. WYKORZYSTANIE LASERÓW
2.1 ZASTOSOWANIE WIĄZKI LASEROWEJ W PRZEMYŚLE I TECHNOLOGII
2.2 ZASTOSOWANIE LASERÓW W MEDYCYNIE
2.3 HOLOGRAFIA
2.3.1 POCHODZENIE HOLOGRAFII
2.3.2 METODY HOLOGRAFICZNE
2.3.3 ZASTOSOWANIA HOLOGRAFII
2.4 TECHNOLOGIE LASEROWE – NARZĘDZIA DO REJESTRACJI I PRZETWARZANIA INFORMACJI
WNIOSEK
BIBLIOGRAFIA
ZASADA DZIAŁANIA LASERA
Lasery opierają się na zjawisku emisji wymuszonej, którego istnienie przewidział już w 1917 roku Einstein. Według Einsteina obok procesów zwykłego promieniowania i absorpcji rezonansowej istnieje trzeci proces - promieniowanie stymulowane (indukowane). Światło o częstotliwości rezonansowej, czyli takiej, jaką atomy są w stanie zaabsorbować, przechodząc na wyższe poziomy energetyczne, powinno powodować jarzenie się atomów już na tych poziomach, jeśli takie istnieją, w ośrodku. Charakterystyczną cechą tego promieniowania jest to, że emitowane światło jest nie do odróżnienia od światła kierującego, to znaczy pokrywa się z tym ostatnim pod względem częstotliwości, fazy, polaryzacji i kierunku propagacji. Oznacza to, że wymuszona emisja dodaje do wiązki światła dokładnie te same kwanty światła, które usuwa z niej absorpcja rezonansowa.
Atomy ośrodka mogą absorbować światło, będąc na niższym poziomie energetycznym, ale promieniować na wyższych poziomach. Wynika z tego, że przy dużej liczbie atomów na niższych poziomach (co najmniej większej niż liczba atomów na wyższych poziomach), światło przechodzące przez ośrodek będzie osłabione. Przeciwnie, jeśli liczba atomów na wyższych poziomach jest większa niż liczba atomów niewzbudzonych, to światło, przechodząc przez dany ośrodek, zostanie wzmocnione. Oznacza to, że w tym ośrodku dominuje emisja wymuszona. Przestrzeń między zwierciadłami jest wypełniona ośrodkiem aktywnym, czyli ośrodkiem zawierającym większą liczbę atomów wzbudzonych (atomów znajdujących się na wyższych poziomach energetycznych) niż niewzbudzonych. Ośrodek wzmacnia przechodzące przez nie światło dzięki emisji wymuszonej, której początek daje spontaniczna emisja jednego z atomów.
Promieniowanie laserowe to blask obiektów w normalnych temperaturach. Ale w normalnych warunkach większość atomów znajduje się w najniższym stanie energetycznym. Dlatego w niskich temperaturach