Відмінності між версіями «Твердотільні лазери»

Поточна версія на 17:45, 22 травня 2017

Роботу виконує Котляр Анна

Загальний опис (принцип дії)

Твердотільні лазери діляться на імпульсні і безперервні. Серед імпульсних лазерів більш поширені пристрої на рубіні і неодимовому склі. Довжина хвилі неодимового лазера становить l=1,06 мкм. Ці пристрої являють собою відносно великі стрижні, довжина яких сягає 100 см, а діаметр - 4-5 см. Енергія імпульсу генерації такого стрижня - 1000 Дж за 10-3 сек.

Лазер на рубіні також відрізняється великою потужністю імпульсу, при тривалості 10-3 сек його енергія складає сотні Дж. Частота повторення імпульсів може досягати декількох кГц.

Найвідоміші лазери безперервної дії виготовляються флюорите кальцію з домішкою диспрозия і лазери на иттриево-алюмінієвому гранаті, в якому присутні домішки атомів рідкоземельних металів. Довжина хвилі цих лазерів знаходиться в області від 1 до 3 мкм. Потужність імпульсу становить приблизно 1 Вт або його частки. Лазери на ітриєво-алюмінієвому гранаті способи забезпечити потужність імпульсу до декількох десятків Вт.

Принцип роботи твердотільного лазера будується на тому, що в забороненій зоні речовини створюється так званий інверсний рівень. Час життя електрона на цьому рівні вище, ніж час його перебування в зоні провідності. Таким чином, в певний проміжок часу саме на ньому «скупчуються» електрони. Це називається інверсної заселеністю. Коли повз такого рівня, засіяного електронами, проходить фотон потрібної довжини хвилі, він викликає одночасну генерацію великої кількості однакових по довжині і фазі світлових хвиль. Тобто електрони лавиною все одночасно переходять в основний стан, породжуючи пучок монохроматичних фотонів досить великої потужності. Варто зазначити, що основною проблемою розробників першого лазера був пошук такого поєднання речовин, для якого була б можлива інверсна заселеність одного з рівнів. Першим робочим речовиною став легований рубін.

Історична довідка

Слово “лазер” складається з початкових літер у англійському словосполученні Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, що у перекладі російською мову означає: посилення світла у вигляді вимушеного випущення. Отже, у самому терміні лазер відбито та фундаментальна роль процесів вимушеного випущення, що вони грають у генераторах і підсилювачах когерентного світла. Тому історію створення лазера слід розпочинати з 1917 р., коли Альберт Ейнштейн вперше ввів уявлення про вимушене випущенні. То був перший крок шляху до лазеру.

Наступний крок зробив радянський фізик В.А. Фабрикант, указавший в 1939 р. до можливості використання вимушеного випущення посилення електромагнітного випромінювання за його проходженні крізь речовина. Ідея, висловлена В.А. Фабрикантом, передбачала використання микросистем з инверсной заселенностью рівнів. Пізніше, по закінченні Великої Великої Вітчизняної війни В.А. Фабрикант повернувся до цієї ідеї та відповідно до своїх досліджень подав у 1951 р. (разом із М.М. Вудинським і Ф.А. Бутаєвой) заявку на винахід способу посилення випромінювання з допомогою вимушеного випущення. Цю заявку було видано свідчення, у якому під рубрикою “Предмет винаходи” записано: “ Спосіб посилення електромагнітних випромінювань (ультрафіолетового, видимого, інфрачервоного і радіодіапазонів хвиль), що б тим, що що посилюється випромінювання пропускають через середу, у якій з допомогою допоміжного випромінювання або іншими шляхом створюють надлишкову проти рівноважної концентрацію атомів, інших часток чи його систем на верхніх енергетичних рівнях, відповідних збудженою станам”.

Технічні характеристики

Лазер твердотільний за основними компонентами не відрізняється від інших видів. Робоче тіло, в якому здійснюється інверсна заселеність одного з рівнів, висвітлюється будь-яким джерелом світла. Він називається накачуванням. Часто це може бути звичайна лампа розжарювання або газорозрядна трубка. Два паралельно йдуть торця робочого тіла (лазер твердотільний увазі кристал, газовий - розріджену середу) утворюють систему дзеркал, або оптичний резонатор. Він збирає в пучок тільки ті фотони, які йдуть паралельно вихідного отвору. Накачування твердотільних лазерів зазвичай відбувається за допомогою імпульсних ламп.

”Серце лазера” - його активний елемент. В одних лазерів це кристалічний або склянний стрижень циліндричної форми. В інших - запаяна скляна трубка, всередині якої перебуває спеціально підібрана газова суміш. В третіх - кювета зі спеціальною рідиною. Відповідно розрізняють лазери твердотільні, газові й рідинні. При нагріванні будь-яке тіло починає випромінювати тепло. Однак випромінювання теплового джерела поширюється в усіх напрямках , тобто заповнює тілесний кут 4π стерадіан. Формування спрямованого пучка від такого джерела, здійснюване за допомогою системи діафрагм або оптичних систем, що складаються з лінз і дзеркал, завжди супроводжується втратою енергії. Жодна оптична система не дозволяє одержати на поверхні освітлюваного об'єкта потужність випромінювання більшу, ніж у самім джерелі світла.

Сфера застосування

• Голографія
• Видалення татуювань
• Обробка матеріалів
• Лазерні далекоміри
• Дерматологія
• Хірургія : Довгоочікувані скальпелі з'явились в 70-х роках 20 століття у вигляді лазерного променя. Лазерний скальпель має цілий ряд переваг перед традиційними скальпелями.

По-перше, за його допомогою роблять відносно безкровний розріз, тому що одночасно з розсіканням тканини коагулюють краї рани, "заварюючи" невеликі кровоносні судини.

По-друге, лазерний скальпель відрізняється постійністю ріжучих властивостей, надійністю в роботі. Якщо випадкове попадання механічного скальпеля на твердий предмет, наприклад кістку, може вивести його з ладу, то для лазерного скальпеля такої небезпеки не існує.

По-третє, лазерний промінь внаслідок своєї прозорості значно розширює хірургу операційне поле. Лезо звичайного скальпеля, так само як і електрод електроножа, завжди в деякій мірі заважають повному огляду ділянки, що оперується.

По-четверте, лазерний промінь розсікає тканину на відстані, не діючи на неї механічно. На відміну від операції звичайним скальпелем чи електроножем, хірург в даному випадку може не притримувати тканину рукою або інструментом.

По-п'яте, лазерний скальпель забезпечує абсолютну стерильність. Адже з тканиною взаємодіє лише промінь. До того ж в області розтину тканини створюється висока температура.

По-шосте, промінь лазера діє локально, випаровування тканини відбувається лише в точці фокуса. Прилягаючи до місця розрізу тканини пошкоджуються при цьому значно менше, ніж при використанні електроножа і навіть механічного скальпеля. І останнє, як показала клінічна практика, на відміну від звичайних ран, рана від лазерного скальпеля майже не болить і відносно швидко загоюється.

Фото, відео-матеріали

Твердотільні лазери

Твердотільні лазери

Твердотільні лазери

Список використаних джерел

1. Борейшо А.С. Лазеры - устройство и действие 1992 р.
2. Звелто О. Принципы лазеров 1990 р.
3. Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б. Фізика. - М.: Просвещение, 1998. - 254 с.
4. Сивухин В. А. Загальний курс фізики. Оптика. - М.: Наука, 1980. - 752 с.
5. Тарасов Л. В. Лазери. Дійсність і надії. - М. Наука, 1985. -176 С.
6. Хьюстис Д.Л. Газовые лазеры 1989 р.
7. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D0%B8%D0%B4%D1%8B_%D0%BB%D0%B0%D0%B7%D0%B5%D1%80%D0%BE%D0%B2
8. http://elib.lutsk-ntu.com.ua/book/tf/m_ta_pfkm/2012/12-52/page21.html
9. http://xn--80aimveh.pp.ua/nauka/9907-tverdotlniy-lazer-princip-roboti-zastosuvannya.html