Лазеры. Способы получения лазерного излучения, применение и перспективы

С появлением полупроводниковых лазеров появилась возможность использования их для записи и чтения информации на информационных носителях–лазерных компакт-дисках. Лазерный диск представляет собой круглую пластинку, изготовленную из алюминия, покрытую прозрачным пластмассовым защитным слоем. В начале изготавливается так называемый мастер-диск, на который с помощью луча лазера наносится информация в двоичном представлении. Лазерный импульс возникает только тогда, когда через записывающее устройство проходит логическая единица. В момент прохождения логического нуля импульс не возникает. В результате в некоторых местах поверхности диска, которые теперь соответствуют логическим единицам в массиве информации, алюминий испаряется. Мастер-диск служит матрицей, с которой печатаются многочисленные копии, причём на копии в тех местах, где на мастер-диске были светоотражающие участки, возникают выемки, рассеивающие свет, а в тех местах, где на мастер-диске были выемки, на копии остаются светоотражающие островки. Чтение информации с компакт-диска осуществляется так же лазером, только значительно меньшей мощности. Луч лазера направляется на вращающийся с большой скоростью диск под некоторым углом. Частота лазерных импульсов синхронизирована со скоростью вращения диска. Луч лазера, попадая на светоотражающий островок, отражается от него и улавливается фотоэлементом. В результате в электрической цепи считывающего устройства возникает ток и сигнал воспринимается как логическая единица. Если же луч лазера попадает на рассеивающую свет выемку, то отраженный луч проходит мимо фотоэлемента и электрического тока в цепи считывающего устройства не возникает. В этом случае сигнал интерпретируется как логический ноль. В настоящее время лазерные компакт-диски широко используются как для хранения компьютерной информации, так и для хранения и распространения музыкальных программ, предназначенных для воспроизведения на лазерных проигрывателях. 
 
    4. 3 Применение лазеров в медицине.

Совершенно особого разговора заслуживает применение лазеров в медицине. Ещё на заре развития лазерной техники медиков привлекла возможность использования лазеров в хирургии. Уже в середине 60-ых годов XX века были построены лазерные установки, которые с успехом использовались при хирургических операциях. В этих установках лазер соединен с гибким световодом, изготовленным из тончайших стеклянных или пластмассовых трубок (все те же оптические волокна). На конце световода закреплена головка с фокусирующей линзой. Световод вводится внутрь организма через небольшой разрез или другим доступным способом. Манипулируя световодом, хирург направляет луч лазера на оперируемый объект, оставляя нетронутыми соседние органы и ткани. При этом достигается высокая точность и стерильность оперативного вмешательства. При таких операциях значительно сокращается кровопотеря, что облегчает протекание послеоперационной реабилитации.

Особенно широкое применение нашли лазерные инструменты в хирургии глаза. Глаз, как известно, представляет орган, обладающий очень тонкой структурой. В хирургии глаза особенно важны точность и быстрота манипуляций. Кроме того выяснилось, что при правильном подборе частоты излучения лазера оно свободно проходит через прозрачные ткани глаза, не оказывая на них никакого действия. Это позволяет делать операции на хрусталике глаза и глазном дне, не делая никаких разрезов вообще. В настоящее время успешно проводятся операции по удалению хрусталика путём испарения его очень коротким и мощным импульсом. При этом не происходит повреждение окружающих тканей, что ускоряет процесс заживления, составляющий буквально несколько часов. В свою очередь, это значительно облегчает последующую имплантацию искусственного хрусталика. Другая успешно освоенная операция– приваривание отслоившейся сетчатки. Лазеры довольно успешно применяются и в лечении таких распространённых сейчас заболеваний глаза как близорукость и дальнозоркость. Одной из причин этих заболеваний является изменение в силу каких-либо причин конфигурации роговицы глаза. С помощью очень точно дозированных облучений роговицы лазерным излучением можно исправить её изъяны, восстановив нормальное зрение. Трудно переоценить значение применения лазерной терапии при лечении многочисленных онкологических заболеваний, вызванных неконтролируемым делением видоизменённых клеток. Точно фокусируя луч лазера на скоплении раковых клеток, можно полностью уничтожить эти скопления, не повреждая здоровые клетки. Разнообразные лазерные зонды широко используются при диагностике заболеваний различных внутренних органов, особенно в тех случаях, когда применение других методов невозможно или сильно затруднено.

 
5. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЛАЗЕРНОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Создание лазера привело к появлению нового направления — лазерной физики. Начало исследований было положено в 1962–1963 гг. в Институте радиоэлектроники, во главе которого стоял Юрий Борисович Румер. Позже лазерным излучением занималась лаборатория, затем отдел, существовавший сначала в Институте физики полупроводников, потом в Институте теплофизики. В 1991 г. возник Институт лазерной физики СО РАН (Сибирское Отделение  Российской Академии Наук).

Советские, а ныне российские учёные сохраняют приоритет по многим направлениям исследований в мире. К ним можно отнести, например, работы по лазерной спектроскопии высокого и сверхвысокого разрешения. Возникла возможность, используя лазерное излучение, получить качественный спектроскопический инструмент. Использование метода нелинейной лазерной спектроскопии насыщенного поглощения, разработанного в 1967–1968 гг. советскими учёными В. С. Летоховым и В. П. Чеботаевым, позволило получать узкие спектральные линии внутри доплеровского контура, который ограничивает разрешение в спектральном диапазоне. Полученные резонансы насыщенного поглощения были использованы впоследствии в ИЛФ (институт лазерной физики) для создания оптических стандартов частоты, т.е. чрезвычайно стабильных по частоте лазерных источников излучения, необходимых для прецизионных измерений.

Преобразование частоты лазерного излучения из оптического диапазона в радиодиапазон, дающее возможность измерять абсолютное значение частоты, привело к созданию так называемой высокопрецизионной физики. Созданные сибирскими физиками в 1981 г. первые в мире лазерные часы позволили определять единицу времени «секунда» по числу высокостабильных оптических колебаний. Лазерные источники со стабильностью частоты 10-14 и выше давали точность на 5–6 порядков выше, чем было до появления лазерной техники, что позволяло определять секунду намного точнее, чем было возможно на стандартных водородных или цезиевых микроволновых часах.

В начале 2000-х годов были созданы фемтосекундные оптические часы, соединявшие возможности фемтосекундного лазера и оптических часов. Возможности перехода из оптического диапазона в радио- или ультрафиолетовый диапазон стали гораздо более простыми, надёжными и точными. Точность измерений в настоящее время составляет во всем мире 10-16–10-17. Это позволяет уточнять фундаментальные физические константы и тестировать основные положения квантовой электродинамики.

Благодаря высокой стабилизации частоты колебаний оптических генераторов, в которых используются квантовые переходы атомов кальция, магния, цезия и других элементов, секунда приобрела точное «физико-техническое» определение. Стандарты частоты и времени, которые создаются сегодня российскими учёными, позволяют значительно увеличить быстродействие потребительских навигационных устройств и способствуют развитию помехозащищенности широкополосной связи.

Лазеры жизненно необходимы и для развития новых методов локации, в том числе космической. Хорошо известная российская глобальная навигационная спутниковая система ГЛОНАСС (глобальная навигационная спутниковая система) благодаря разработкам сибирских учёных может увеличить точность определения координат с нескольких метров до нескольких сантиметров (развитие навигационной системы с помощью наземного сегмента и использования одновременно сигналов американской системы GPS может довести точность определения координат до 20–30 сантиметров). В настоящее время разрабатывается программа по развитию системы ГЛОНАСС на период до 2020 года.

Точность измерений по микроволновым стандартам приближается к своему пределу в рамках используемой технологии, поэтому разработкой оптических стандартов последние несколько лет занимаются также в Европе и в США (в частности, для навигационных спутниковых систем GPS и Galileo). Ученые из Института лазерной физики СО РАН активно участвуют в международном проекте с Национальным институтом метрологии в Германии.

Возможности лазерного излучения могут иметь немало технологических применений. Это, разумеется, не только гражданские технологии, но и военные. В институтах СО РАН осуществлены такие разработки как лазерная сварка, упрочнение, разделка сложных деталей, лазерная резка, лазерно-плазменные методы нанесения нанопокрытий с созданием особых структур, причём не только на поверхности различных материалов, но и на готовые изделия — двигатели, транспортные системы, транспортные узлы. Это сегодняшний день лазерной физики и её практических применений. Происходит переход от макрообъектов в нанообласть. Это позволяет расширить наши познания атомного, молекулярного мира и использовать их в нужных нам целях.

Академик С. Н. Багаев подчеркнул, что необходимо донести до руководства РАН (Российская академия наук) и страны следующее: во-первых, лазерная физика в Сибирском отделении, несмотря на известные экономические трудности, живёт и развивается. 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.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Лазеры решительно и притом широким фронтом вторгаются в нашу действительность. Они необычайно расширили наши возможности в самых различных областях-- обработке материалов, медицине, измерениях, контроле, обработке и передачи информации, физических, химических и биологических исследованиях. Уже сегодня лазерный луч овладел множеством полезных и интересных профессий. Во многих случаях применение лазерного луча позволяет получать уникальные результаты. Можно не сомневаться, что в будущем луч лазера подарит нам новые возможности, представляющиеся сегодня фантастическими. Мы уже начали привыкать к мысли, что “лазер все может”. 
Подчас это мешает трезво оценить реальные возможности лазерной техники на современном этапе ее развития. Неудивительно, что чрезмерные восторги по поводу возможностей лазерного луча иногда сменяются некоторым охлаждением к лазерам. Все это, однако, никак не может замаскировать основной факт — с изобретением лазера человек получил в свое распоряжение качественно новый, в высокой степени универсальный, очень эффективный “инструмент” для повседневной производственной и научной деятельности. С годами этот 
“инструмент” будет все более совершенствоваться, а вместе с этим будет непрерывно расширяться и область применения лазеров. 
Нарастающие темпы исследований в области лазерной техники открывают возможности создания новых типов лазеров со значительно улучшенными характеристиками, позволяющими расширить области их применения в машино- и приборостроении. В настоящее время мы являемся свидетелями непрерывно увеличивающейся мощности излучения как твердотельных, так и газовых лазеров, работающих в постоянном режиме, что расширяет возможности их применения при различных технологических операциях: сварке деталей значительно больших габаритов, резке более толстых листов с большими скоростями, сверлении с увеличенными скоростями отверстий значительных диаметров и т.д. Открываются новые возможности в области упрочнения деталей машин и приборов, а также режущих инструментов. Дальнейшие успехи в этом направлении пока ограничиваются выходом из строя отдельных оптических элементов лазера: зеркал, выходных окон и др. – из-за их недостаточно высокой лучевой прочности. В области повышения лучевой прочности производятся обширные исследования. Одновременно открываются новые возможности применения лазеров в технологических операциях.. 
Одной из характерных особенностей развития современной лазерной технологии является разделение сфер влияния твердотельных и газовых лазеров. Твердотельные лазеры в ближайшие годы будут иметь преимущества при выполнении энергетических импульсных процессов обработки, к которым относятся точечная сварка, сверление алмазных и рубинных камней, нанесение рисунков на тонких пленках за один импульс на большой площади и т.д. В тех случаях, когда для выполнения какой-либо технологической операции достаточно энергии излучения газовых лазеров, следует отдавать им предпочтение ввиду более высоких частот повторения импульсов, стабильности и большого срока службы. Газовые лазеры и установки на их основе предоставляют технологу-исследователю большие возможности в выборе частот и режимов работы, что имеет особое значение при обработке и нанесении различных пленочных покрытий.

Итак, Лазер – один из мощнейших инструментов сегодняшней науки. Не возможно перечислить все области его применения, так как каждый день для лазера находятся новые задачи.

В этой работе были рассмотрены основные виды лазеров и их принцип работы. Были также охвачены основные сферы применения, а именно: промышленность, медицина, информационные технологии, наука.

Рразнообразные задачи могут выполняться с помощью лазера благодаря его свойствам. Когерентность, монохроматичность, высокая энергетическая плотность позволяют решать сложные технологические операции.

Лазер – инструмент будущего, уже прочно вошедший в нашу жизнь.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

 
 
 
 
СПИСОК  ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Л.В. Тарасов Лазеры и их применение.[Текст]/ Тарасов Л.В..- Учебное пособие для ПТУ.- М.:2006
2. . В.П. Тычинский Применения лазеров [Текст]/Тычинский В,П,.- М: “Мир”, 1974.
3. Б.Ф. Федоров Лазеры. Основы устройства и применения.[Текст]/ Федоров Б.Ф. М.: ДОСААФ, 1988.
4. Н.Н. Соболева  «Газовые лазеры» .[Текст]/Соболева Н.Н.- М :«Мир», 1968 г.
5. Б.В Федоров. Лазеры основы устройства[Текст]/ Федоров Б.В. .-Изд. ДОСААФ 1990 г.
6. О.Ф. Кабардин. «Физика» [Текст]/Кабарин О.Ф..-М: «Просвещение», 1988 г.
7. Виды лазеров [Электронный ресурс].-М Режим доступа http://www.medlaser.ru/applic.htm
8. История развития лазеров [Электронный ресурс].-М Режим доступа http://katpop.narod.ru/txt/laser.htm
9. Все о лазерах [Электронный ресурс].-М Режим доступа http://www.studzona.com/referats/view/8069
10. Все о лазерах [Электронный ресурс].-М Режим доступа http://tower.ict.nsc.ru/win/elbib/hbc/article.phtml?nid=573&id=14