Лазеры. Способы получения лазерного излучения, применение и перспективы

Министерство образования и науки Российской Федерации

Новокузнецкий институт (филиал)

государственного образовательного бюджетного учреждения

высшего профессионального образования

«Кемеровский государственный университет»

Экономический факультет

Кафедра экономики

 

Студент группы ЭП-10

А. С. Плотникова

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

 «Лазеры. Способы получения лазерного излучения, применение и перспективы»

 

 

 

 

 

Руководитель:

 доцент

К.В.Чмелева

 

 

Курсовая работа Курсовая работа

допущена к защите  защищена с оценкой 

 

Подпись руководителя Подпись руководителя

«___»______________2011г. «___»_______________2011г.

 

 

 

 

 

Новокузнецк 2011

СОДЕРЖАНИЕ

Введение  3

1. Теоретическая часть 6

1. История создания лазера 6
2. Физические основы работы лазера 11
1. Получение лазерного излучения  11
2. Свойства лазерного излучения 15
3. Типы лазеров 18
1. Твердотельный лазер 18
2. Газовый лазер 20
3. Полупроводниковый 21
4. Жидкостный лазер 24
4. Применение лазерного излучения 25
1. Применение лазеров в промышленности. 25
2. Использование лазеров в информац. технологиях. 27
3. Применение лазеров в медицине ……… 29
5. Перспективы развития лазерной технологии 30

Заключение 34

2. Практическая часть 37

Список использованной литературы 42

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

  Слово "лазер" составлено из начальных букв в английском словосочетании Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation , что в переводе на русский язык означает: усиление света посредством вынужденного испускания. Таким образом, в самом термине лазер отражена так фундаментальная роль процессов вынужденного испускания, которую они играют в генераторах и усилителях когерентного света. Поэтому историю создания лазера следует начинать с 1917 г ., когда Альберт Эйнштейн впервые ввел представление о вынужденном испускании   Это был первый шаг на пути к лазеру.  

 Начиная с 1961 г ., лазеры  разных типов (твердотельные и газовые) занимают прочное место в оптических лабораториях. Осваиваются новые активные среды, разрабатывается и совершенствуется технология изготовления лазеров. В 1962-1963 гг. в СССР и США одновременно создаются первые полупроводниковые лазеры  
   Так начинается новый, "лазерный" период оптики.   С начала своего возникновения лазерная техника развивается исключительно быстрыми темпами. Появляются новые типы лазеров и одновременно усовершенствуются старые. Это послужило причиной глубокого проникновения лазеров во многие отрасли народного хозяйства

  Лазер состоит из трех основных компонентов: активная среда, в которой осуществляется инверсная населенность атомных уровней и происходит генерация, система накачки, создающая инверсную заселенность, и оптический резонатор — устройство, создающее положительную обратную связь.

  Сейчас лазеры получили широкое применение в науке, технике, быту. Возникла новая область физики - нелинейная оптика, в которой изучается взаимодействие мощного лазерного излучения с различными веществами.

  Лазерное излучение способно управлять движением атомов. Взаимодействие лазерного излучения с атомами вещества вызывает появление в спектре этого вещества новых линий, по которым можно судить о некоторых, ранее неизвестных свойствах вещества (нелинейная лазерная спектроскопия).

  На использовании лазерного излучения основана голография - область науки и техники, занимающаяся получением объемных изображений, а также оптической обработкой информации и её хранением.

Исключительно важно применение лазерного излучения в медицине и биологии. С помощью лазерного луча делаются сложные глазные операции. Излучение мощного лазера используется в хирургии в качестве скальпеля. Здесь важна абсолютная стерильность лазерного луча и его способность прижигать разрезы мелких кровеносных сосудов, чтобы остановить кровотечение. Области применения лазерного излучения непрерывно расширяются.

Лазерная тематика в научных исследованиях с каждым годом получает всё более широкое распространение, лазер как метод научного познания играет всё большую роль в смежных направлениях физики, с его помощью проводятся исследовательские работы в биологии, медицине и т.д., а лазерные технологии могут и должны быть одной из приоритетных ветвей в инновационном развитии промышленности России.

Данная курсовая работа посвящается изучению лазеров и их применения в различных сферах деятельности человека.

Актуальность данной проблематики обусловлена постоянным ростом темпа развития лазерных технологий и их внедрения в нашу жизнь.

Целью работы является изучение лазерных технологий, что предусматривает решение следующих конкретных задач:

1) познакомиться с принципом  работы различных типов лазеров;

2) узнать способы повышения мощности  лазерного излучения;

3) рассмотреть варианты применения  лазеров.

Объектом исследования является лазеры и лазерное излучение.

Предметом исследования являются методы получения лазерного излучения.

      В данной работе были использованы такие методы исследования, как:

     - Анализ и синтез

     - Индукция и дедукция

 

 

1. ИСТОРИЯ СОЗДПНИЯ ЛАЗЕРА

 
  Прошло 50 лет со дня изобретения первого лазера. Без полного понимания того, что свет все же является электромагнитной волной, его изобретение было бы невозможным. В 1918 году за открытие элементарной порции энергии – кванта - Макс Планк (Max Planck) был удостоен Нобелевской премии. Планк работал с абсолютно черным телом, объектом, поглощающим все длины волн падающего на него света. Он пытался объяснить, почему абсолютно черное тело излучает неравномерно на разных длинах волн.

В своей наиболее значимой работе, опубликованной в 1900 году, 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 (Albert Einstein). В 1905 году тот опубликовал свой знаменитый доклад о фотоэффекте, в котором утверждал, что энергия, которую сообщает электронам в фотоматериале падающий свет, также дискретна, и наименьшую единицу этой дискретности он назвал фотоном.

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.

26 апреля 1951 года Чарльзу  Таунсу (Charles Hard Townes) из Колумбийского  университета, что в Нью Йорке (Columbia University, New York), пришла в голову идея о создании мазера (microwave amplification by stimulated emission of radiation ) – прибора, усиливающего микроволновые колебания с помощью явления вынужденного излучения.

В 1954 этот первый мазер был продемонстрирован Таунсом, Гербертом Цайгером (Herbert J. Zeiger) и выпускником Колумбийского университета Джеймсом Гордоном (James P. Gordon). Мазер излучал на длине волны 1 см и генерировал мощность около 10 нВт.

Наши соотечественники Николай Басов и Александр Прохоров, ученые Физического института АН СССР им. П.Н. Лебедева в Москве, в 1955 предложили трехуровневый метод накачки мазера. Молекулы с помощью излучения накачки переходят на третий (верхний) уровень, время жизни молекул на котором мало. Затем молекулы релаксируют на метастабильный (промежуточный) уровень, и впоследствии излучают энергию, равную разности между промежуточным и основным уровнями. Годом позже Николас Блумберген (Nicolaas Bloembergen) из Гарвардского университета (Harvard University) представил мазер на твердом теле.

14 сентября 1957 года Таунс  делает первые наброски «мазера»  в лабораторном журнале, мазера, работающего уже в оптическом  диапазоне, а выпускник Колумбийского  университета Гордон Гуд (Gordon Gould) впервые упоминает в своих  заметках слово «лазер» и нотариально  закрепляет свое право на предложенные  принципы его создания. Вскоре  Гуд оставляет университет и  начинает карьеру в частной  фирме TRG (Technical Research Group).

В 1958 Таунс, работавший в то время консультантом Bell Labs, и его шурин Артур Шавлов (Arthur L. Schawlow) в совместной статье в Physical Review Letterпоказали, что «мазер» может работать и в оптическом диапазоне. В ФИАН им. П.Н. Лебедева Басов И Прохоров вели работу по этому же направлению.

Весной 1959 Гуд и TRG подают заявки на патенты, дабы защитить заверенные нотариально еще в 1957 принципы создания лазера. Однако 22 марта 1960 года за номером 2,929,922 был получен патент на имя Таунса и Шавлова, подтверждающий их право на изобретение оптического мазера, который сегодня мы называем просто лазер. Гуд и TRG в течение 30 лет пытались обжаловать это решение. Но безуспешно.

16 мая 1960 года физик из  Калифорнии Теодор Мейнман (Theodore H. Maiman) создает первый лазер на  рубине. Кристалл рубина был 1 см в диаметре и около 2 см в длину. Боковые грани стержня были покрыты серебром для создания резонатора типа Фабри-Перо. В качестве источника накачки использовалась лампа-вспышка. 7 июня была созвана пресс-конференция, во время которой действие рубинового лазера было представлено общественности. В ноябре 1960-го учеными IBM был продемонстрирован твердотельный лазер, работающий по 4-х уровневой схеме накачки.

Первый газовый (гелий-неоновый) лазер, излучающий в ИК области спектра на длине волны 1.15 мкм, создали Али Яван, Вильям Беннет и Дональд Херриот (Ali Javan, William Bennett Jr. и Donald Herriott) из Bell Labs в декабре 1960.

На коммерческом рынке лазеры появились с начала 1961 года, реализовывались такими компаниями как Trion Instruments Inc., Perkin-Elmer and Spectra-Physics.

Далее история лазеров развивалась стремительными темпами. Появились лазеры, использующие в качестве активного элемента самые разнообразные, как жидкие, так твердотельные и газообразные вещества. Лазер на неодиме появляется в октябре 1961 в American Optical Co. Его изобретатель – Элиас Снитцер (Elias Snitzer). В декабре этого же года в США провели первую операцию на сетчатке с использованием рубинового лазера. В 1962 получен импульсный режим работы рубинового лазера, в дальнейшем он использовался для сварки швов на ручных часах.

Полупроводниковый лазер на галлий-арсениде изобрели сотрудники GE, IBM, MIT’s Lincoln Laboratory. Это устройство, превращающее электрический ток непосредственно в ИК излучение. Всем известные GaAsP - светодиоды , излучающие в красном диапаоне, появились в 1962 году благодаря Нику Холоньяку мл. (Nick Holonyak Jr.), работавшему тогда в General Electric Co. lab в Сиракузах, штат Нью-Йорк. Сегодня это основа для красных LED, используемых CD, DVD-плеерах , сотовых телефонах.

Лазер на иттрий-алюминиевом гранате (YAG) появился в июне 1962. К концу этого года общий объем лазерных продаж составил более 1 миллиона американских долларов. В 1963 разрабатываются принципы лазеров с синхронизацией мод. В современном мире без них трудно представить оптическую связь и фемтосекундные лазеры.

В этом же году Герберт Кромер из университета Калифорнии (Herbert Kroemer of the University of California) и команда ученых под руководством Жореса Алферова из Института им. А.Ф. Иоффе в Санкт-Петербурге предложили использовать гетероструктуры в работе полупроводниковых лазеров. В 2000 году оба ученых получили за это Нобелевскую премию.

В марте 1964 благодаря Вильяму Бриджесу (William B. Bridges) из США появляется аргоновый лазер, КПД его был низок, зато излучал он на нескольких длинах волн, в том числе и в УФ диапазоне.

В 1964 Таунс, Басов и Прохоров были удостоены Нобелевской премии за фундаментальный труд в области квантовой электроники, в результате которого были созданы колебательные системы и усилители, работающие на мазер-лазерном принципе.

В том же 64-м создали СО2 лазер, который и по сей день успешно используется в промышленности и медицине.

В 1965 была на практике наблюдали синхронизацию мод – важный шаг на пути к телекоммуникациям.  
В 1966 создан лазер на красителях, накачка которого осуществлялась рубиновым лазером.

За изобретение «накачки» лазеров и мазеров Нобелевской премии в 1966 был удостоен французский физик Альфред Кастлер (Alfred Kastler).