Лазеры

Презентация по предмету «Физика», 11 класс

Любое современное шоу, будь то обычная дискотека в ночном клубе или грандиозная пати-вечеринка на открытом воздухе, не обходится без светомузыки в виде лучей лазера.

Что такое лазер?

Английское слово LASER образовано от сокращения «light amplification by stimulated emission of radiation», что в переводе на русский означает «усиление света посредством вынужденного излучения».
Лазерный луч представляет собой когерентный, монохромный, поляризованный узконаправленный световой поток.
Одним словом, это луч света, испускаемый мало того, что синхронными источниками, так еще и в очень узком диапазоне, причем направленно. Этакий чрезвычайно сконцентрированный световой поток.

История создания лазера

Без полного понимания того, что свет является электромагнитной волной, изобретение лазера было бы невозможным.
В своей наиболее значимой работе, опубликованной в 1900 году, Макс Планк привел выражение, связывающее частоту электромагнитного излучения и энергию кванта, постулируя при этом, что энергия может излучаться или поглощаться дискретно, даже если эти порции энергии малы. Его теория совершила перелом в физике, вдохновила на дальнейшие исследования в этой области многих прогрессивных ученых того времени, и в частности таких, как Альберт Эйнштейн.

В 1917 Эйнштейн выдвинул теорию вынужденного излучения, согласно которой, кроме процессов спонтанного поглощения и излучения света существует возможность вынужденного (или стимулированного) излучения, когда можно «заставить» электроны излучить свет определенной длины волны одновременно. Однако только спустя 40 лет, основываясь на положениях этой теории, был создан первый лазер.

До 50-х годов были только предпосылки создания лазера, пока в 1955 году ученые Николай Басов и Александр Прохоров не разработали квантовый генератор — усилитель микроволн с помощью индуцированного излучения, активной средой которого является аммиак.

Изобретение лазера, использующего аммиак, позволило американским ученым Чарльзу Таунсу и Артуру Шавлову через два года начать разработку принципов лазера. Работая параллельно в том же направлении, Александр Прохоров в 1958-м использовал для создания лазера резонатор Фабри-Перо, представляющий собой два параллельных зеркала, одно из которых полупрозрачно.

В мае 1960 г. сотрудник исследовательского центра фирмы Хьюз (Hughes), американский физик Теодор Мейман, основываясь на работах Н.Басова, А.Прохорова и Ч.Таунса, сконструировал первый лазер на рубине с длиной волны в 0,69 мкм. Спустя полгода в лабораториях корпорации IBM заработал инфракрасный лазер на фториде кальция с добавкой ионов урана, построенный Питером Сорокиным (Peter Sorokin) и Миреком Стивенсоном (Mirek Stevenson). Это был уникальный прибор, который действовал лишь при температуре жидкого водорода и практического значения не приобрел.

Наконец, в декабре того же года исследователи из Bell Laboratories Али Джаван (Ali Javan), Уильям Беннетт (William Bennett) и Дональд Хэрриот (Donald Herriotte) продемонстрировали первый в мире газовый лазер на смеси гелия и неона, который повсеместно применяется и в наши дни.

Устройство лазера

Лазеры, как правило, состоят из трех частей:

• Источник энергии или механизм накачки;
• Рабочее тело;
• Система зеркал или оптический резонатор.

Источник энергии, что очевидно из названия, подает необходимую для работы устройства энергию. Для лазеров применяются различные виды энергии, зависящие от того, что именно используется в качестве рабочего тела. Такой первоначальной энергией, в числе прочего, может выступать и другой источник света, а также электрический разряд, химическая реакция и т.д. Здесь нужно упомянуть, что свет – это передача энергии и фотон – не только частица или, говоря иначе, квант света, но и частица энергии.

Рабочее тело – это наиболее важная составляющая лазера. Оно как раз и является телом, в котором находятся атомы, излучающие когерентные фотоны. Для того, чтобы процесс излучения когерентных фотонов произошел, рабочее тело подвергается энергетической накачке, которая приводит, грубо говоря, к тому, что большая часть атомов, из которых состоит рабочее тело, перешли в возбужденное энергетическое состоянии с общим знаменателем. В этом состоянии переход к обратному – основному — не возбужденному состоянию произойдет, если через атом пройдет фотон, соответствующий по своей энергии разнице между этими двумя состояниями атома. Таким образом, возбужденный атом, при переходе в основное состояние добавляет к «пролетавшему через него» фотону его точную копию.

Именно рабочее тело определяет все наиболее важные характеристика лазера, такие как мощность, диапазон и т.п. Выбор рабочего тела производится из соображений, диктуемых нам тем, что мы хотим получить от этого лазера.

Варианты рабочего тела: все агрегатные состояния (газ, твердое, жидкость и даже плазма), всевозможные материалы, используются также и полупроводники (например, в CD приводах).

Оптический резонатор – это обыкновенная система зеркал, расположенных вокруг рабочего тела, ведь оно излучает свет во всех направлениях, а нам нужно собрать в один узкий пучок. Для этой цели и служит оптический резонатор.

Применение лазеров

Военное дело — лазерная локация, лазерные системы слежения, наведения. Ведутся работы по созданию лазерного летального оружия.

Медицина — в хирургии, офтальмологии, терапии
Уникальные свойства лазерного луча позволяют выполнять ранее невозможные операции новыми эффективными методами для выполнения самых разнообразных оперативных вмешательств в урологии, гинекологии, оториноларингологии, ортопедии, нейрохирургии и т. д.

В связи и информационных технологиях
Волоконно-оптические кабели обеспечивают чрезвычайно высокую скорость передачи информации и исключают даже малейшую возможность несанкционированного извлечения информации

Лазерная сварка, пайка и резка металлов
Лазерный луч может быть сфокусирован на очень маленькую поверхность металла и создать на на ней плотность энергии порядка 108 Вт/см2 – достаточную для плавления металла и, следовательно, сварки.
При резке металла наиболее высокая температура создается в той области, куда направлено наибольшее скопление лучей, благодаря чему происходит ровное разделение деталей. Поверхность, на которую луч не попадает, не плавится и не деформируется, а просто нагревается.

Лазерный термоядерный синтез
Исследования в области лазерного термоядерного синтеза проводятся в США, России и других странах.
Создать миниатюрную звезду на Земле — такова амбициозная цель создания Национального комплекса лазерных термоядерных реакций National Ignition Facility (NIF).
Учеными комплекса разрабатывается самая большая и самая мощная в мире лазерная установка. В сентябре 2010 года, был успешно проведен первый эксперимент по комплексному зажиганию — 192 лазера были сфокусированы на маленьком цилиндре, содержащем небольшую замороженную капсулу с водородным топливом, и начали ударять по нему короткими импульсами лазерного излучения мощностью в 1 МДж.

Возможные применения реакторов-лазеров, по мнению специалистов Всероссийского НИИ экспериментальной физики ВНИИЭФ:

• Снабжение энергией спутников, базы на темной стороне Луны, космических объектов.
• Лазерные ракетные двигатели для старта с Земли и межпланетных полетов.
• Очистка космоса от мусора и отработавших ядерных энергетических установок.
• Вывод полезных грузов на космические орбиты.
• В качестве инструмента для резки и сварки крупногабаритных установок.
• Утилизация экологически опасных установок.
• Утилизация особо прочных и толстостенных конструкций, разделка которых традиционными способами затруднена или невозможна.
• Оперативный ремонт дорогостоящих производственных установок с непрерывным циклом работы.
• Ликвидация последствий стихийных бедствий, аварий и катастроф, в особенности сопровождающихся повышенной экологической опасностью.