Международный школьный научный вестник

Научный журнал для старшеклассников и учителей ISSN 2542-0372

Введение.

Каждое столетие дарит человечеству нечто выдающееся и запоминающееся. Например, в XIX веке, появились автомобиль и пароход, телеграф и радио, подводная лодка и пулемет. Научно-технический прогресс шагал семимильными шагами. И XX век не является исключением. Одно из полезных изобретений XX века, открывшее перед человечеством огромное количество новых направлений деятельности, стал лазер.

Целью работы является: исследовать и изучить лазеры.

Задачи работы: изучить историю открытия лазера; изучить структуру лазеров; изучить виды лазеров; познакомиться с областями применения лазеров; познакомиться с лазерными технологиями и работами, проводимыми во ВлГУ им. А. Г. и Н. Г. Столетовых.

Предмет исследования: квантовая физика

Методы исследования: информационный, аналитический, сравнительный анализ, презентационный.

Из истории открытия лазеров.

История открытия лазера началась с 1917 года, когда А. Эйнштейн предсказал возможность так называемого индуцированного (вынужденного) излучения света атомами. Индуцированное излучение –излучение возбуждённых атомов под действием падающего на них света. Чуть позже, в 1940 году российский физик В.А. Фабрикант указал на возможность использования явления вынужденного излучения для усиления электромагнитных волн. В 1954 году советские учёные Н. Г. Басов и А. М. Прохоров и независимо от них американский физик Ч. Таунс использовали явление индуцированного излучения для создания микроволнового генератора радиоволн с длиной волны λ =1,27 см. Приборы, созданные этими учёными и работающие в диапазоне сантиметровых волн, получили название мазеров. И в 1960 году в США был создан первый лазер- квантовый генератор в видимой части спектра. Рабочий образец лазера создал учёный Теодор Майман. Активной средой лазера был рубин - оксид алюминия с примесью хрома. Резонатором такого устройства был резонатор Фабри-Пьеро, образованный серебряными покрытиями, нанесёнными на торцы кристалла.

Свойства лазерного излучения.

Лазерные источники света обладают рядом существенных преимуществ: Лазеры способны создавать пучки света с очень малым углом расхождения. На Луне такой пучок, испущенный с Земли даёт пятно диаметром 3 км; Свет лазера обладает исключительной монохроматичностью. В отличие от обычных источников света, атомы которых излучают свет независимо друг от друга, в лазерах атомы излучают свет согласованно; Лазеры являются самыми мощными источниками света.

Структура лазера.

Ла́зер(отангл.- «усиление света посредством вынужденного излучения») - это оптическое квантовое устройство, которое способно преобразовывать лучи одного вида (энергию накачки - световую, химическую и т.д.) в направленные когерентные монохроматические, узко направленные и поляризованные другие. То есть, это луч света, испускаемый синхронными источниками, в узком направленном диапазоне. Работа лазера основывается на вынужденном (индуцированном) излучении. Это квантомеханическое явление. Волна, испускаемая лазером, есть электромагнитная волна.

Все лазеры состоятизтрёх основных частей:активной(рабочей) среды;системы накачки(источник энергии);оптического резонатора(может отсутствовать, если лазер работает в режиме усилителя).

Типичный лазер выглядит так: трубка, внутри которой размещен твердый кристалл, чаще всего рубин. Собоих торцов она закрыта зеркалами: прозрачным инеполностью прозрачным. Под воздействием электрической обмотки атомы кристалла генерируют световые волны. Эти волны перемещаются отодного зеркала кдругому дотого момента, пока ненаберут интенсивность, достаточную для прохождения через неполностью прозрачное зеркало.

Классификация лазеров.

Классификация лазеров представляет собой:

1.Твердотельные лазеры.Активная среда в них твердаяисостоит изкристаллов рубина инебольшого количества ионов хрома. Накачка осуществлялась при помощи импульсной лампы.

2.Газовые лазеры. Активная среда формируется изгазов сочень низким давлением или изихсмесей. Газы заполняют стеклянную трубку, вкоторую впаяны электроды. В качестве накачки обычно применяют разряд электричества, производимый генератором высоких частот. Излучение газового лазера отличается своей непрерывностью.

3.Жидкостные лазеры. Для создания активной среды вних используются разнообразные растворы органических соединений. Плотность такого вещества выше, чем угаза, хотя иниже, чем утвердых тел.

4.Полупроводниковые лазеры. В качестве активной среды используется кристалл-полупроводник. Однако онпринципиально отличается тем, что излучательные переходы внем происходят немежду энергетическими уровнями атомов, амежду энергетическими зонами или подзонами кристалла. Накачка такого лазера производится постоянным электрическим током.

Применение лазеров.

С каждым годом лазеры все прочнее входят в промышленность и быт человека.В настоящее время области применения лазеров расширяются с каждым днем. После первого промышленного использования лазеров для получения отверстий в рубинах для часов эти устройства успешно применяются в самых различных областях.

Рубиновые лазеры стали широко использоваться для специальной фото графии - голографии, после того, как удалось добиться достаточной чувствительности пленки на частоте 694 нм. Эти лазеры более удобны и для пробивки очень точных отверстий, так как с уменьшением длины волны размеры точки фокуса, ограничивающийся дифракцией, уменьшаются. Не так давно некоторые ученые предсказывали, что рубиновый лазер скоро отслужит свой срок. Однако в настоящее время полупроводниковые приборы на арсениде галлия (GaAs) могут свариваться с тугоплавкими металлическими проводниками с помощью импульсного рубинового лазера. Процесс длится 100 нс вместо 5-30 мин, которые требуются при обычной сварке с последующим отжигом. Это важное достижение применяется в электронных системах, используемых в спутниковой связи, реактивных двигателях, геотермальных скважинах, атомных реакторах, приемниках радиолокационных станций и ракет, интегральных микроволновых цепях.

Твердотельные лазеры применяются в лазерной спектроскопии, нелинейной оптике, лазерной технологии: сварка, закалка, упрочнение поверхности. Лазерные стекла применяются в мощных установках для лазерного термоядерного синтеза.

Газовые лазеры применяются в промышленных установках. Известна термическая обработка материалов и деталей обычными средствами. Предварительный подогрев с использованием газовых лазеров позволяет обрабатывать материалы более высокой твердости. Прямолинейные участки многокомпонентных деталей легко свариваются газовыми лазерами, в то время как непрямолинейные участки свариваются с использованием специальных поворотных зеркальных систем. Производится лазерная закалка и заточка деталей. Применяются подобные лазеры в спектроскопии, лазерной химии, медицине. Установки на основе СО2 - лазеров мощностью 500 Вт успешно применяются для лазерного резания по шаблонам и раскройки сталей или пластмасс, пробивки отверстий, если их диаметр не слишком мал. В общем случае толщина разрезаемого материала зависит от мощности излучения. В настоящее время стоимость СО2 - лазеров не особенно высока. Стоимость газов, применяемых в СО2 - лазерах сопоставима со стоимостью энергии, потребляемой станками, предназначенными для пробивания отверстий. Характеристики СО2 - лазеров стабильны. Лазеры легки в управлении и безопасны при соблюдении правил эксплуатации.

Электроразрядные лазеры низкого давления на благородных газах: He-Ne, He-Xe. Это маломощные системы отличаются высокой монохроматичностью и направленностью. Применяются в спектроскопии, стандартизации частоты и длины излучения, в настройке оптических систем. Ионный аргоновый лазер - лазер непрерывного действия, генерирующий зеленый луч. Накачка осуществляется электрическим разрядом. Мощность достигает нескольких десятков Вт. Применяется в медицине, спектроскопии, нелинейной оптике.

Эксимерные лазеры. Рабочая среда - смесь благородных газов с F2, Cl2, фторидами. Возбуждаются сильноточным электронным пучком или поперечным разрядом. Работают в импульсном режиме в УФ - диапазоне длин волн. Применяются для лазерного термоядерного синтеза.

Химические лазеры. Рабочая среда - смесь газов. Основной источник энергии - химическая реакция между компонентами рабочей смеси. Возможны варианты лазеров импульсного и непрерывного действия. Они имеют широкий спектр генерации в ближней ИК - области спектра. Обладают большой мощностью непрерывного излучения и большой энергией в импульсе. Такие лазеры применяются в спектроскопии, лазерной химии, системах контроля состава атмосферы.

Полупроводниковые лазеры составляют самую многочисленную группу. Накачка осуществляется инжекцией через гетеропереход, а также электронным пучком. Гетеролазеры миниатюрны, имеют высокий КПД. Могут работать как в импульсном, так и в непрерывном режимах. Несмотря на низкую мощность они нашли свое применение в промышленности. Они применяются для спектроскопии, оптической стандартизации частоты, оптико-волоконных линий связи, для контроля формы, интерференционных полос деформации, в оптико-электронике, в робототехнике, в системах пожаробезопасности. В быту применяются в системах оптической обработки информации (в сканерах) в паре с несложной системой многогранных зеркал, применяемых для отклонения луча, в звуко- и видеосистемах, в охранных системах. В последнее время полупроводниковые лазеры, благодаря своим малым размерам, применяются и в медицине. Лазеры с электронной накачкой перспективны в системах проекционного лазерного телевидения. А когда-то нобелевский лауреат Жорес Алфёров в статье «О лазерах, российской науке и образовании» сказал: «Я в области лазеров работаю уже почти 50 лет, и мне с самого начала хотелось сделать телевизор на полупроводниковых лазерах, чтобы он был размером с маленький аппарат, электронный, но в котором было бы три крошечных, высокоэффективных лазера…» [1, с.1]

Работа с лазерными технологиями ВлГУ им. А.Г. и Н.Г.Столетовых.

Лазерными технологиями занимаются и многие высшие учебные заведения страны. В г. Владимире при ВлГУ им. А. Г. и Н. Г. Столетовых работает научно-образовательный центр внедрения лазерных технологий (НОЦ ВЛТ), целями которого являются:

· подготовка молодых специалистов и специалистов высшей квалификации в областях лазерных технологий на основе новейших научно-технологических достижений в проведении фундаментальных и прикладных научных исследований, коммерциализации их результатов, разработка новых программ курсов повышения квалификации, объединяющих и развивающих научные исследования и учебный процесс, методическое обеспечение образовательного процесса;

· достижение превосходства в области лазерных технологий, методов конструирования, проектирования и обработки высокотехнологичных изделий машиностроительного и оборонно-промышленного комплексов мирового уровня, в интересах модернизации промышленности страны;

· интеграция образования, науки и производства посредством передачи передовых достижений в области лазерных технологий в промышленность с последующей отработкой.

Учащиеся нашей школы (МБОУ Панфиловская СОШ) в 2014 году побывали в «Центре Нанотехнологий» при ВлГУ имени А. Г. и Н. Г. Столетовых. Учитель физики и математики Бесчастнова Лариса Васильевна об этом написала в школьной газете Муромского района «Ступени»: «Учащиеся познакомились с группой инженеров- исследователей, ведущих исследования на уровне микрочастиц. Ребята посетили лаборатории фемтосекундной лазерной техники и лазерного оборудования, познакомились с аппаратно- программным комплексом автоматической регистрации и биометрической идентификации людей АПК АРБИЛ. Им стали известны сканирующий электронный микроскоп, порошковый дифрактометр и энергофлуорисцентный рентгеновский спектрометр» [2, с. 1]. И сейчас центр не просто работает, а функционирует с большой буквы этого слова. В подтверждение слова из статьи «Лазерные технологии внедряют в производство студенты из Владимира» с сайта Минобрнауки России: «Студенты Института машиностроения и автомобильного транспорта Владимирского госуниверситета имени А.Г. и Н.Г. Столетовых (ВлГУ) совместно с ООО «Владимирский инжиниринговый центр использования лазерных технологий в машиностроении при ВлГУ» разработали для промышленности проекты по рабочим элементам роботизированного комплекса. В проекте также участвовал Научно-образовательный центр внедрения лазерных технологий (НОЦ ВЛТ). Новые разработки дают возможность варить и делать более прочными детали машиностроения.

Разработки студентов кафедры «Тепловые двигатели и энергетические установки» приняли в эксплуатацию на промышленном оборудовании Владимирского инжинирингового центра использования лазерных технологий в машиностроении при ВлГУ.» [3, с. 1]

Заключение.

Анализируя вышесказанное, приходим к выводу, что свойства лазерного излучения уникальны. Это превратило лазеры внезаменимый для самых различных областей науки итехники инструмент. Лазеры широко используются вмедицине, вбыту, виндустрии развлечений, всфере транспорта. Высокомощные лазеры используются для производства высокоточных деталей для различных машин. Кроме того, лазерный луч может заменить скальпель в руках хирурга при проведении сложных операций.Лазеры используются в магазинах, где с их помощью считываются штрих-коды на товарах. Лазерный луч можно использовать на строительстве сооружений для контроля точности при монтаже. Лазеры могут быть полезны ивсфере транспорта. Одна из впечатляющих сфер применения лазеров - создание голограмм - трехмерных изображений предмета на пленке, который воспринимается глазом человека под определенным углом.Лазерные шоу часто сопровождают фестивали, концерты, праздничные мероприятия.

Лазер был изобретён с конкретной целью (совершенно не «прикладной», но позже нашёл множество разных применений, о которых в момент его появления даже не мечтали. Это типичный случай «решения, ждущего своей задачи».

Таким образом, гипотеза, что создание лазеров - пример того, как развитие фундаментальной науки (квантовой теории) приводит к гигантскому прогрессу в самых различных областях техники и технологии, подтверждена.