Лазеры в промышленности доклад
Обновлено: 28.06.2024
ВВЕДЕНИЕ 3
1 Применение лазеров в промышленности 4
2 Применение лазеров в медицине 7
3 Применение лазеров в военном деле 9
4 Применение лазеров в быту и науке 13
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 15
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 17
Актуальность данной темы определяется следующими факторами.
Во-первых, лазер представляет собой высокотехнологичной
оптическое устройство, имеющее достаточно простое строение и принцип
действия и очень широкое потенциальное применение в различных
областях науки, техники и быта. Поэтому актуально исследование,
направленное на изучение принципа устройства и возможностей
применения лазерной техники.
Во-вторых, несмотря на простоту действия и общего принципа
устройства лазера, в техническом плане создание лазерной техники
требует применения высокоточных технологий, тщательного определения
различных групп параметров лазера, подбора параметров компонентов
лазера в зависимости от вида применения лазера. В связи с этим актуально
исследование теоретических и практических основ определения
параметров лазера.
Степень изученности. В разработке данной темы были использованы
работы таких авторов как: Белов Г.В., Бондарев Б.В., Квасников И.А.,
Кудинов В.А., Кузнецов С.И., Лабскер Л.Г., Мирам А.О., Морачевский
А.Г., Сивухин Д.В., Хохрин С.Н. и др.
Таким образом, объект исследования: лазерная техника.
Предмет исследования: особенности применения и определения
параметров лазерной техники.
Цель исследования: выявить основные особенности применения и
определения параметров лазерной техники.
Задачи исследования: выявить возможности применения лазерной
техники в различных областях быта, хозяйства, науки и техники;
Структура работы определяется задачами, стоящими перед
исследованием.
1 Применение лазеров в промышленности
ультрафиолетовому, инженеры уменьшают ширину линии рисунка, т. е.
сокращают размеры интегральных схем.
Дж. Дж. Макклеланд со своими коллегами из Национального
института стандартов и технологии (США) применил этот метод, чтобы
изготовить решетку из хромированных точек на маленькой кремниевой
пластине. Размер точки - всего 80 нм - значительно меньше разрешающей
способности, обеспечиваемой ультрафиолетовыми лучами. Физики
уверены, что с дальнейшим развитием этой технологии можно будет на
площади в 1 см 2 всего за несколько минут разместить 2 млрд.
интегральных схем [11].
Секрет заключается в использовании в качестве линзы лазерного
луча. Плотный узкий пучок атомов хрома, получаемый при нагревании
навески хрома в СВЧ-печи, пропускают сквозь пучок лазерного излучения,
частота которого близка к частоте собственных колебаний атомов хрома. В
результате атомы теряют энергию, т. е. охлаждаются. Непосредственно
перед кремниевой подложкой эти атомы попадают в еще один лазерный
пучок - примерно той же частоты, что и первый. Будучи отраженным от
зеркала, этот пучок образует стоячую волну, т. е. волну, пучности и узлы
которой фиксированы в пространстве.
Натолкнувшись на такую стоячую волну, атомы хрома вынуждены
двигаться либо вверх, к гребню волны, либо вниз, к узлу между гребнями.
Таким образом, волна играет роль линзы, отклоняя проходящие сквозь нее
атомы от прямой траектории на половину длины волны и выстраивая их в
аккуратные линии на поверхности кремниевой пластины. Если пластину
осветить двумя взаимноперпендикулярными лазерными пучками, как это
сделал Макклеланд, линии превратятся в правильную совокупность точек -
решетку. Следующий шаг - сканирование лазером поверхности для
создания произвольного рисунка интегральных наносхем.
В технологии позиционирования атомов фокусированным лазерным
лучом - такое название физики закрепили за новой технологией -
предстоит разрешить немало проблем, прежде чем она появится в
заводских цехах. Например, не все атомы фокусируются. Вероятно, будет
невозможно стравливать материал, не разрушая рисунка соединений. Но,
поскольку теоретически при помощи этой технологии можно создавать
схемы с шириной линии рисунка в 10 раз меньшей, чем сегодняшние, она,
в конце концов, получит дальнейшее развитие [4].
2 Применение лазеров в медицине
эффективными методиками и аппаратурой, которая обеспечивает их
реализацию. Современные методики требуют возможность выбора
различных параметров воздействия (режим излучения, длина волны,
мощность) в широком диапазоне. Аппарат лазерной терапии (АЛТ) должен
обеспечивать эти параметры, их достоверный контроль и отображение и
вместе с тем быть простым и удобным в управлении [7].
3 Применение лазеров в военном деле
Военное применение лазеров включает как их использование для
обнаружения целей и связи, так и применение в качестве оружия.
Лучами мощных химических и эксимерных лазеров наземного или
орбитального базирования планируется разрушать или выводить из строя
боевые спутники и самолеты противника. Созданы образцы лазерных
пистолетов для вооружения экипажей орбитальных станций военного
назначения [2].
К настоящему времени сложилась основные направления, по
которым идет внедрение лазерной техники в военное дело. Этими
направлениями являются:
1. Лазерная локация (наземная, бортовая, подводная).
2. Лазерная связь.
3. Лазерные навигационные системы.
Сейчас, получены такие параметры излучения лазеров, которые
способны существенно повысить тактико-технические данные различных
образцов военной аппаратуры (стабильность частоты порядка 10 -14 ,
пиковая мощность 10 -12 Вт, мощность непрерывного излучения 10 4 Вт,
угловой раствор луча 10 -6 рад, t = 10 -12 с, длина волны 0,2. 20 мкм.
Лазерной локацией называют область оптикоэлектроники,
занимающегося обнаружением и определением местоположения
различных объектов при помощи электромагнитных волн оптического
диапазона, излучаемого лазерами. Объектами лазерной локации могут
быть танки, корабли, ракеты, спутники, промышленные и военные
сооружения. Принципиально лазерная локация осуществляется активным
методом. Нам уже известно, что лазерное излучение отличается от
температурного тем, что оно является узконаправленным,
монохраматичным, имеет большую импульсивную мощность и высокую
спектральную яркость. Все это делает оптическую локацию
конкурентноспособной в сравнении с радиолокаций, особенно при ее
использовании в космосе (где нет поглощающего воздействия
атмосферы) и под водой (где для ряда волн оптического диапазона
существуют окна прозрачности).
В основе лазерной локации, так же как и радиолокации, лежат три
основных свойства электромагнитных волн [10]:
1. Способность отражаться от объектов. Цель и фон, на котором
она расположена, по-разному отражают упавшее на них излучение.
Лазерное излучение отражается от всех предметов: металлических и
неметаллических, от леса, пашни, воды. Более того, оно отражается от
любых объектов, размеры которых меньше длины волны, лучше, чем
радиоволны. Это хорошо известно из основной закономерности
отражения, по которой следует, что чем короче длина волны, тем лучше
она отражается. Мощность отраженного в этом случае излучения обратно
пропорциональна длине волны в четвертой степени. Лазерному локатору
принципиально присуща и большая обнаружительная способность, чем
радиолокатору - чем, короче волна, тем она выше. Поэтому-то
проявлялась по мере развития радиолокации тенденция перехода от
длинных волн к более коротким.
Создание лазеров открыло новые перспективы в технике локации.
2. Способность распространяться прямолинейно. Использование
узконаправленного лазерного луча, которым производиться просмотр
пространства, позволяет определить направление на объект (пеленг
цели).
Это направление находят по расположению оси оптической
системы, формирующей лазерное излучение (в радиолокации - по
направлению антенны). Чем уже луч, тем с большей точностью может
быть определен пеленг.
Угловой раствор луча лазера, изготовленного с использованием
твердотельного активного вещества, как известно, составляет всего 1,0 -
1,5 градуса и при этом без дополнительных оптических фокусирующих
систем (антенн). Следовательно, габариты лазерного локатора могут быть
значительно меньше, чем аналогического радиолокатора. Использование
же незначительных по габаритам оптических систем позволит сузить луч
лазера до нескольких угловых минут, если в этом возникнет
необходимость.
3. Способность лазерного излучения распространяться с постоянной
скоростью дает возможность определять дальность до объекта.
Потенциальная точность измерения дальности определяется
точностью измерения времени прохождения импульса энергии до
объекта и обратно. Совершенно ясно, что чем, короче импульс, тем
лучше (при наличии хорошей полосы пропускания, как говорят радисты).
Но нам уже известно, что самой физикой лазерного излучения заложена
возможность получения импульсов с длительностью 10 -7 -10 -8 с. Это
обеспечивает хорошие данные лазерному локатору.
Рассмотрим параметры лазерного локатора.
Прежде всего зона действия. Под ней понимают область
пространства, в которой ведется наблюдение. Ее границы обусловлены
максимальной и минимальной дальности действия и пределами обзора по
углу места и азимуту. Эти размеры определяются назначением военного
лазерного локатора.
Другим параметром локатора является время обзора. Под ним
понимается время, в течение которого лазерный луч приводит
однократный обзор заданного объема пространства.
Следующим параметром локатора являются определяемые
координаты, которые зависят от назначения локатора. Если он
предназначен для определения местонахождения наземных и надводных
объектов, то достаточно измерять две координаты: дальность и азимут.
При наблюдении за воздушными объектами нужны три координаты. Эти
координаты следует определять с заданной точностью, которая зависит
от систематических и случайных ошибок [6].
Под разрешающей способностью понимается возможность
раздельного определения координат близко расположенных целей.
Каждой координате соответствует своя разрешающая способность. Кроме
того, используется такая характеристика, как помехозащищенность. Это
способность лазерного локатора работать в условиях естественных
(Солнце, Луна) и искусственных помех [9].
И еще одной важной характеристикой локатора является
надежность. Это свойство локатора сохранять свои характеристики и
установленных пределах в заданных условиях эксплуатации.
4 Применение лазеров в быту и науке
Появление лазеров произвело переворот в технике связи и записи
информации. Существует простая закономерность: чем выше несущая
частота (меньше длина волны) канала связи, тем больше его пропускная
способность. Именно поэтому радиосвязь, вначале освоившая диапазон
длинных волн, постепенно переходила на все более короткие длины
волн. Но свет – такая же электромагнитная волна, как и радиоволны,
только в десятки тысяч раз короче, поэтому по лазерному лучу можно
передать в десятки тысяч раз больше информации, чем по
высокочастотному радиоканалу. Лазерная связь осуществляется по
оптическому волокну – тонким стеклянным нитям, свет в которых за
счет полного внутреннего отражения распространяется практически без
потерь на многие сотни километров. Лазерным лучом записывают и
воспроизводят изображение (в том числе движущееся) и звук на компакт-
дисках.
Лазеры активно применяются в научных исследованиях.
Чрезвычайно высокая температура излучения и высокая плотность его
энергии дает возможность исследовать вещество в экстремальном
состоянии, существующем только в недрах горячих звезд. Делаются
попытки осуществить термоядерную реакцию, сжимая ампулу со смесью
дейтерия с тритием системой лазерных лучей (т.н. инерционный
термоядерный синтез). В генной инженерии и нанотехнологии
(технологии, имеющей дело с объектами с характерными размерами 10 –9
м) лазерными лучами разрезают, передвигают и соединяют фрагменты
генов, биологических молекул и детали размером порядка миллионной
доли миллиметра (10 –9 м). Лазерные локаторы (лидары) применяются для
исследования атмосферы [8].
Лазеры применяются в голографии для создания самих голограмм и
получения гологафического объёмного изображения. Некоторые лазеры,
например, лазеры на красителях, способны генерировать
монохроматический свет практически любой длины волны, при этом
импульсы излучения могут достигать 10−16 с, а следовательно и
огромных мощностей (так называемые гигантские импульсы). Эти
свойства используются в спектроскопии, а также при изучении
нелинейных оптических эффектов. С использованием лазера удалось
измерить расстояние до Луны с точностью до нескольких сантиметров.
Лазерная локация космических объектов уточнила значение
астрономической постоянной и способствовала уточнению систем
космической навигации, расширила представления о строении атмосферы
и поверхности планет Солнечной системы. В астрономических
телескопах, снабженных адаптивной оптической системой коррекции
атмосферных искажений, лазер применяют для создания искусственных
опорных звезд в верхних слоях атмосферы.
Сверхкороткие импульсы лазерного излучения используются в
лазерной химии для запуска и анализа химических реакций. Здесь
лазерное излучение позволяет обеспечить точную локализацию,
дозированность, абсолютную стерильность и высокую скорость ввода
энергии в систему. В настоящее время разрабатываются различные
системы лазерного охлаждения, рассматриваются возможности
осуществления с помощью лазеров управляемого термоядерного
синтеза(самым подходящим лазером для исследований в области
термоядерных реакций, был бы лазер, использующий длины волн,
лежащие в голубой части видимого спектра). Лазеры используются и в
военных целях, например, в качестве средств наведения и прицеливания.
Рассматриваются варианты создания на основе мощных лазеров боевых
систем защиты воздушного, морского и наземного базирования [8].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
лечения заболеваний с помощью лазерного луча продолжает
стремительно увеличиваться. Фотодинамическая и фототермическая
терапия, коррекция зрения, косметологические и пластические операции,
термопластика хрящевых тканей, диагностика капиллярного кровотока —
только немногие примеры новых лазерных технологий в медицине.
Японские специалисты прогнозируют, что к 2005 году каждая третья
медицинская процедура будет проводиться с использованием лазера.
Перечень областей применений лазерного луча в наши дни был бы
не полон, если бы мы не вспомнили полиграфию с ее лазерными
принтерами и настольными печатными машинами, экологический
мониторинг с помощью лидаров и диодных спектроанализаторов,
навигацию, использующую лазерные гироскопы, маяки и локаторы. На
службе пауки примеры использования лазеров просто не сосчитать:
лазерный луч и препарирует клетку, и создает экстремально плотную
плазму, и измеряет скорость дрейфа материков. Вот почему объем
производства лазерной техники в мире стабильно увеличивается на
15—20% в год.
К сожалению, сегодня в России лазерные технологии используются
недостаточно. Сегодня отечественные лазерщики предлагают более трех
тысяч моделей лазерного оборудования, в России производятся лазерные
источники излучения, приборы и установки практически всех известных
в мире типов. Российский лазерный экспорт составляет, по разным
оценкам, от 30 до 50 миллионов долларов в год и постоянно растет. А
вот внутренний спрос очень невелик. Внедрение лазерных технологий не
отвечает ни нашим реальным потребностям, ни реальным возможностям.
Не последнюю роль здесь играет слабая информированность
пользователей. Очень многие из них уверены, что хорошая лазерная
техника производится только за рубежом.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Белов Г.В. Термодинамика в 2 ч. Часть 2: Учебник и практикум для
академического бакалавриата / Г.В. Белов. - Люберцы: Юрайт, 2016. -
248 c.
2. Бондарев Б.В. Курс общей физики. Книга 3: Термодинамика,
статистическая физика, строение вещества: Учебник для бакалавров /
Б.В. Бондарев, Н.П. Калашников, Г.Г. Спирин. - Люберцы: Юрайт, 2016.
- 369 c.
3. Квасников И.А. Термодинамика и статистическая физика. Т.2: Теория
равновесных систем: Статистическая физика / И.А. Квасников. - М.:
УРСС, 2016. - 432 c.
4. Кудинов В.А. Техническая термодинамика и теплопередача: Учебник
для академического бакалавриата / В.А. Кудинов, Э.М. Карташов, Е.В.
Стефанюк. - Люберцы: Юрайт, 2016. - 442 c.
5. Кузнецов С.И. Курс физики с примерами решения задач. Часть I.
Механика. Молекулярная физика. Термодинамика / С.И. Кузнецов. -
СПб.: Лань, 2014. - 464 c.
6. Лабскер Л.Г. Основы физики. Молекулярная физика. Термодинамика:
Учебное пособие / Л.Г. Лабскер. - М.: КноРус, 2013. - 192 c.
7. Мирам А.О. Техническая термодинамика. Тепломассообмен: Учебное
издание / А.О. Мирам, В.А. Павленко. - М.: АСВ, 2016. - 352 c.
8. Морачевский А.Г. Физическая химия. Термодинамика химических
реакций: Учебное пособие / А.Г. Морачевский, Е.Г. Фирсова. - СПб.:
Лань, 2015. - 112 c.
9. Сивухин Д.В. Общий курс физики. В 5 т. Т. 2. Термодинамика и
молекулярная физика / Д.В. Сивухин. - М.: Физматлит, 2014. - 544 c.
10. Тельцов Л.П. Термодинамика: Учебное пособие / Л.П. Тельцов, О.Т.
Муллакаев, В.В. Яглов. - СПб.: Лань П, 2016. - 592 c.
11. Хохрин С.Н. Физическая химия. Термодинамика химических реакций:
Учебное пособие / С.Н. Хохрин, К.А. Рожков, И.В. Лунегова. - СПб.:
Лань, 2015. - 112 c.
При обработке срез получается гладким, потому что он заменяет световым лучом традиционный лезвийный инструмент или пламя горелки. В дальнейшей обработке нет необходимости.
По сравнению с вырубной резкой обрабатываемая поверхность гладкая, и на кривой вырубной обработки нет явных следов от лезвия тоже нет.
Л азерная обработка заключается в использовании сфокусированного лазерного луча высокой плотности мощности для прожигания заготовки, так что облучаемый материал быстро плавится, испаряется, аблируется или достигает точки воспламенения.
В то же время заготовка отрезается путем продувки расплавленного материала высокоскоростным потоком воздуха по оси луча.
Лазерное испарение используется для нагрева заготовки лазерным лучом с высокой плотностью энергии. Температура быстро повышается и за очень короткий промежуток времени достигает точки кипения материала. Материал начал испаряться и образовывать пар. Пар выходит очень быстро. Когда пар выходит, на материале делается надрез.
Лазерное испарение в основном используется для резки очень тонких металлических материалов и неметаллических материалов.
При лазерной резке плавлением металлический материал плавится путем лазерного нагрева. Затем неокисляющий газ (Ar, He, N2 и др.) распыляется соплом, находящимся на одной оси с лучом. Жидкий металл выбрасывается мощным давлением газа, образуя надрез.
Лазерная резка плавлением не требует полного испарения металла, требуемая энергия составляет только 1/10 от испарения.
Лазерная резка плавлением в основном используется для резки неокисляемых материалов или активных металлов, таких как нержавеющая сталь, титан, алюминий и сплавы.
Он использует лазер в качестве источника предварительного нагрева и использует кислород и другие активные газы в качестве режущего газа.
С одной стороны, газ, производимый струей, имеет реакцию окисления и большое количество теплоты окисления. С другой стороны, расплавленный оксид и расплав выдуваются из зоны реакции, образуя надрез в металле.
Поскольку в результате реакции окисления в процессе резки выделяется много тепла, энергия, необходимая для лазерной кислородной резки, составляет лишь половину плавления. Однако скорость резки намного выше, чем при резке с лазерным испарением и расплавлением.
Лазерная кислородная резка в основном используется для обработки углеродистой стали, титановой стали, стали для термической обработки и других легкоокисляемых металлических материалов.
При лазерной разметке используется лазер с высокой плотностью энергии для сканирования поверхности хрупких материалов, нагрева материала до небольшой канавки. Затем приложите определенное давление, хрупкий материал потрескается по щели.
Учитывая текущую ситуацию на рынке волоконных и газовых лазеров, лазерная резка черного металла лучше. Скорость резки высокая, а толщина резки может достигать 20 мм и выше.
Из-за эффекта отражения молекулярной структуры цветного металла лазерному лучу режущий эффект цветного металла несколько хуже. И машина должна быть оборудована рефлектором.
Основная часть лазерной резки - это лазерный источник, включающий лазер CO2 и источник волоконного лазера.
Атомы в смеси стимулируются высвобождением энергии, и энергия выводится в виде фотонов или электронов для формирования лазера.
Лазер, излучаемый CO2-лазером, представляет собой видимый свет, который вызывает легкое повреждение сетчатки и кожи. Операторам рекомендуется носить защитные очки.
В Источнике волоконного лазера в качестве усиливающей среды используется стекловолокно, легированное редкоземельными элементами.
На выходе получается не видимый свет, который вызывает серьезные повреждения сетчатки и кожи. Во время работы оператор должен носить специальные защитные очки.
Структура оптического пути CO2-лазера более сложна, а потери в оптических линзах больше. Он также имеет более высокие экологические требования (меньше пыли).
Машине требуется изоляция от очага серьезных земляных колебаний и обеспечение того, чтобы лазер находился в сухой и постоянной температуре.
Световод волоконного лазера прост и не требует высоких требований к окружающей среде (высокая устойчивость к пыли, вибрации, ударам, температуре и влажности).
Волоконный лазер работает быстрее при резке тонких листов, а лазер CO2 сильнее при резке толстых листов.
CO2-лазер не может резать металлические пластины с высокой отражающей способностью. Волоконный лазер может разрезать тонкие медные пластины.
ДИРЕКТОР ПО ИННОВАЦИЯМ ЦЕНТРАЛЬНОГО НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОГО ИНСТИТУТА ЛАЗЕРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ И ТЕХНОЛОГИЙ СКОЛКОВО
А знаете ли вы, в какой стране делают самые современные лазеры? Как лазером мощностью 20 Вт, в 5 раз слабее лампочки накаливания, можно резать металл? Сможете представить себе литейный цех, который выглядит как офисное помещение и по которому все ходят в белых халатах?
Изобретатель лазера Теодор Харальд Майман, физик из Лос-Анджелеса. Он первым смог продемонстрировать работающий прототип на искусственном гранате. Однако до него другими учеными было сделано немало:
Поль Дирак в теории, разработанной в 1927—1930 гг., математически описал возможность вынужденного излучения
Рудольф Ланденбург и Ганс Копферманн в 1928 г. подтвердили существование вынужденного излучения экспериментально
Валентин Фабрикант и Фатима Бутаева в 1940 г. предположили, что усилить вынужденное электромагнитное излучение поможет уровень с инверсной населенностью электронов
Альфред Кастлер в 1950 г. предложил создавать инверсную населенность с помощью оптической накачки. За это он получил Нобелевскую премию
Николай Басов, Александр Прохоров и Чарьз Таунс в 1954 г. продемонстрировали генератор микроволн на аммиаке. Они добавили положительную обратную связь в виде резонатора. Это достижение также принесло ученым Нобелевскую премию
Теодор Мейман в 1960 г., наконец, представил первое устройство на искусственном рубине, легированном хромом
В сфере применения лазерных технологий в промышленности существует большое число лазерных излучателей, которые генерируют разное лазерное излучение, используемое в лазерном оборудовании.
Лазерный излучатель — это сердце системы. От характеристик лазерного излучения зависит, какие материалы мы сможем обрабатывать, какие процессы будут протекать и многое другое. Система перемещения — это скоростные и точные характеристики процесса и пространственная свобода. Кабины, кожухи и прочие конструктивные особенности — это безопасность оборудования, его мобильность, удобство и пр. Специальное оснащение — системы управления газами, системы видеонаблюдения, податчики, системы мониторинга процесса и прочие устройства, не связанные с лазерным излучением, но обязательные для технологического процесса. Преимущества систем лазерной обработки:
Существует огромное количество видов и вариантов лазерных излучателей, которые имеют массу сценариев применения. Вот пример классификации наиболее распространенных сценариев применения лазеров. Классификция лазеров по сфере использования:
Сосредоточимся на промышленном применении. Промышленное применение лазера — это задачи, в которых лазерное излучение используется для обработки различных материалов. Так как эти задачи в основном сводятся к тому, чтобы нагреть материал до температур, при которых происходят требуемые процессы (плавление, испарение и пр.), то описание сценариев использования излучения и параметров, на которые стоит обращать внимание, значительно упрощается.
Первым значимым параметром будет длина волны лазерного излучения. Это тот параметр, который определит, а будет ли вообще происходить взаимодействие излучения с материалом или не будет (как видимый свет в солнечный день проходит сквозь оконное стекло, никак не взаимодействуя с ним).
- Поглощение фотона
- Спонтанное излучение
- Вынужденное излучение
Таким образом, получаем простой вывод: hc / ʎ = E1 – E2. То есть длина волны обратно пропорциональна энергии фотона и зависит от энергетических уровней атома. Стоит отметить, что излучают не только атомы, но и молекулы, но всегда длина волны излучения является индивидуальной особенностью того вещества, которое это излучение генерирует. В целом схема генерации излучения имеет следующий вид:
Излучающее вещество в лазере принято называть активным телом. Устройство из активного тела, источника энергии и набора зеркал, принято называть резонатором. А в целом устройство, усиливающее свет за счет вынужденного излучения, называют LASER. Существует несколько наиболее распространеных вариантов активных тел, генерирующих лазерное излучение. Классификация лазеров по активному телу:
С появлением систем лазерной обработки промышленность получила новый инструмент, который позволил с высокой точностью обрабатывать материалы. По мере развития лазерных технологий, их заменяют традиционные, как показано на рисунке:
Тогда увеличение мощностей лазерных промышленных систем пошло по пути развития лазеров СО2. Так как газовая смесь не сломается от лишнего тепла, то принципиально можно получать очень большие энергии лазерного излучения.
Идея лазера СО2 состоит в том, что газы азот и гелий помогают молекуле СО2 излучать, возбуждая верхний уровень Е1 и освобождая место на нижнем уровне Е2. Увеличивая энергии, вкладываемые в возбуждение смеси, улучшая процесс обновления газовой смеси при ее деградации, ученые смогли повысить мощности СО2 лазерных излучателей до десятков киловатт, что в сотни раз превосходило мощности твердотельных излучателей. Несмотря на высокий процент отражения излучения лазера СО2 (10.6 мкм) от металлов, все равно энергии хватало для резки и сварки толстого металла. СО2 лазеры стали драйвером внедрения лазерной обработки в промышленность.
С развитием промышленности запросы технологов все росли. Требовалось резать и сваривать все большую толщину, а при эффективности 10 % лазеров СО2 требовалось очень много энергии. Это никому не нравилось, но приходилось с этим мириться. Развилось много систем контроля состава газовой смеси и множество технологий обработки материалов на базе лазеров СО2.
Но в то время как все мировые лидеры лазерных промышленных систем шлифовали СО2-лазеры, в конце 90-х гг. появился новый вид твердотельных лазеров с большей эффективностью, а главное — с длиной волны около 1 мкм, которая значительно лучше погашается металлами. А в 2000-е гг. эти лазеры произвели революцию и захватили планету. Лидеры мировой индустрии пропустили взлет этих лазеров, которые называются волоконными. Компания, которая производит волоконные лазеры и занимает три четверти мирового рынка, называется IPG -Photonics и является мировой транснациональной корпорацией.
Применение лазеров как оптического квантового генератора стало возможным с момента его открытия американским физиком Теодор Харальд (Тед) Майманом в 1960 году. Устройство стало незаменимым инструментом в нашей повседневной жизни.
Многие используют лазеры обусловленные его уникальными свойствами, например, способность достичь высокой мощности в точке, делая оптический генератор идеальным инструментом, как точность скальпеля в медицине или в качестве средства для резки толстолистовой стали.
Способы применения
Большинство устройств этого типа формируют луч света размером с карандаш и меньше и поддерживая его размер и направление на очень больших расстояниях. Это резко фокусированный луч когерентного света подходит для широкого спектра приложений.
Применение лазеров имеет комплексные решения в широком спектре приложений от научных исследований, биомедицины и окружающей среды до обработки промышленных материалов, микроэлектроники, авионики и развлечений.Применения включают лазероптогенетику и неврологию, лазерную сканирующую микроскопию и так далее.
Лазеры для лечения
Узкий когерентный поток света используемый в медицине, является наиболее важной высокотехнологичной медицинской технологией в этом столетии. Применение лазеров относится ко всем клиническим дисциплинам, таким как офтальмология, дерматология, хирургия, стоматология, онкология, рак и т. д. Лазер имеет революционный прорыв в лечении, и различные длины волны подходят для различных терапевтических областей. Например, эффективно лазерное лечение пародонтита.
В медицине они используются при хирургических операциях. Например, как глаукома глаза.
Применение в оптогенетике и нейробиологии
Оптогенетика — это быстро развивающаяся междисциплинарная биотехнологическая технология. Для этой технологии необходима высокая пространственно-временная разрешающая способность в связи со специфичностью изучения клеток. Применение лазеров преодолевает недостатки традиционных методов контроля активности клеток и организма, а также обеспечивает революционный метод исследования нейробиологии. Области исследований включают фундаментальные исследования нервной системы, исследования и исследования памяти, исследования привыкания, дискинезию, расстройства сна, паркинсонизм, депрессивное расстройство, тревожное расстройство и т. д.
Нейронаука — это научное исследование нервной системы. В настоящее время это междисциплинарная наука, которая сотрудничает с другими областями, такими как химия, информатика, инженерия, лингвистика, математика, медицина, генетика и смежные дисциплины, включая философию, физику и психологию. Сфера нейробиологии с помощью узкого луча расширилась и теперь включает различные подходы, используемые для изучения молекулярных, клеточных, эволюционных, структурных, функциональных, эволюционных, вычислительных и медицинских аспектов нервной системы.
Область применения лазера в исследованиях включает наблюдение за жизнеспособной клеточной структурой и специфическими молекулярными, ионными биологическими изменениями, фармакологией, генетикой, спектроскопией и связанными с ними субъектами.
Связь и передача данных
Лазерная связь — это беспроводное соединение в атмосфере. Теперь он может передавать информацию со скоростью передачи данных до нескольких Гбит/с и на расстоянии тысяч километров друг от друга.
Информация отправляется на модулятор света, который связан с лазером. Модулятор обрабатывает информацию о лазере, регулируя амплитуду, частоту или фазу. Затем информация передается по оптической антенне. На приемном конце генератор и сигнал смешиваются и затем преобразуются в исходную информацию с помощью детектора фотоэлектрического баланса и петлевого фильтра после усиления и демодуляции.
Лазерная связь имеет достоинства, связанные с небольшими потерями при передаче, большим расстоянием передачи, высоким качеством связи, большой пропускной способностью, надежной конфиденциальностью и структурой освещения. Она используется для наземной связи, глобальной связи и межзвездной связи.
В радиолокационных системах
Применяется также в радиолокационных системах, которые состоят из устройства лазерного излучения, устройства приема и устройства анализа сигналов. В качестве одной из технологий активного дистанционного зондирования применяется во многих областях, таких как мониторинг наземной растительности, атмосферная лазерная передача, глобальное прогнозирование климата и мониторинг морской среды. С развитием лазерной технологии и технологии оптического мониторинга достигается высокая точность, высокое пространственное разрешение с применением в автомобиле, воздухе и в космосе.
В промышленности и технике
Оптические генераторы используются в промышленности для резки и бурения металлов и прочих материалов, для сварки и пайки, а также для проверки оптического оборудования.
Компакт-диски и DVD-диски, Blu-ray диски чтение и запись производится с помощью применения лазеров, принтеры и сканеры штрих кода. Они используются в волоконной оптике и в некотором пространстве, открытой связи, по аналогии с радиопередачей передаваемого луча света модулированного сигнала и получение и демодуляция на некотором расстоянии. Явление голографии состоит в том, что фактические фронты узоров, захвачены в фотографическое изображение объекта, освещается светом, может быть реконструировано и производит трехмерное изображение объекта.
В научных исследованиях
Применение лазеров важно в ряде областей научных исследований, которые открывают новое поле научных исследований, как нелинейная оптика, которая связана с изучением таких явлений, как удвоение частоты когерентного света некоторых кристаллов.
Одним из важных результатов исследований оптического генератора является развитие устройств, которые могут быть настроены для испускания света в диапазоне частот, вместо формирования света только одной частоты.
В военном деле для наведения на цель
Применение лазеров широко используется в военном деле для наведения на цель, а также были разработаны экспериментальные установки как оружие. Луч, созданный оптическим генератором способен прожигать на определенном расстоянии средства противника.
Узкий поток света применяется в оптической когерентной томографии, как метод представляющий отображение в полупрозрачных или непрозрачных материалах, таких как человеческие ткани. Луч проникает в материал, а затем отражается. Глубина и интенсивность отраженных лучей записывается и из изображения строятся данные. Если луч сканирует по области получается 3-D изображение.
Помимо того, что этот метод безопаснее чем рентген, снимки получаются гораздо менее мутными. Когда луч отражается обратно в направлении, отличном от его происхождения, изменение фазы улавливается приемником и отфильтровывается из конечного изображения, что дает гораздо более четкое изображение и более точную картину.
Применение лазеров нашло отражение во многих областях технологий как развитие науки.
Читайте также: