МИНИСТЕРСТВООБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
БЛАГОВЕЩЕНСКИЙГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Физико-математическийфакультет
Кафедра общейи экспериментальной физики
ЛАЗЕРЫ ИИХ ПРИМЕНЕНИЕ
Курсоваяработа
Благовещенск2007
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И ВИДЫ ЛАЗЕРОВ
1.1 ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ЛАЗЕРНОГО ЛУЧА
1.2 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЛАЗЕР
1.3 ЖИДКОСТНЫЙ ЛАЗЕР
1.3.1 ЛАЗЕРЫ НА КРАСИТЕЛЯХ
1.4 ХИМИЧЕСКИЙ ЛАЗЕР И ДРУГИЕ
1.5 МОЩНЫЕ ЛАЗЕРЫ
1.5.1 МНОГОКАСКАДНЫЕ И МНОГОКАНАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ
2. ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРОВ
2.1 ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРНОГО ЛУЧА В ПРОМЫШЛЕННОСТИ И ТЕХНИКЕ
2.2 ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРОВ В МЕДИЦИНЕ
2.3 ГОЛОГРАФИЯ
2.3.1 ВОЗНИКНОВЕНИЕ ГОЛОГРАФИИ
2.3.2 СПОСОБЫ ГОЛОГРАФИРОВАНИЯ
2.3.3 ПРИМЕНЕНИЕ ГОЛОГРАФИИ
2.4 ЛАЗЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ – СРЕДСТВО ЗАПИСИ И ОБРАБОТКИИНФОРМАЦИИ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
ВВЕДЕНИЕ
Данная курсовая работа посвящаетсяизучению лазеров и их применения в различных сферах деятельности человека.
Актуальность данной проблематикиобусловлена постоянным ростом темпа развития лазерных технологий и их внедренияв нашу жизнь.
Целью работы является изучениелазерных технологий, что предусматривает решение следующих конкретных задач:
1) познакомиться спринципом работы различных типов лазеров;
2) узнать способыповышения мощности лазерного излучения;
3) рассмотреть вариантыприменения лазеров.
Материалом для работы послужилиданные, полученные при работе с литературой и Internet.
Курсовая работа состоитиз введения, двух глав, заключения, приложения и библиографии, изложенной настранице.
Во введении обуславливаетсяактуальность работы, формулируются основные цели и задачи, методы исследованияи используемый материал.
В первой главе раскрываетсяпринцип работы различных видов лазеров.
Во второй главерассматриваются сферы и области применения лазеров.
В заключении в обобщенномвиде подводятся итоги работы.
1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ЛАЗЕРОВ
В основу лазеров положеноявление индуцированного излучения, существование которого было предсказаноЭйнштейном в 1917 году. По Эйнштейну, наряду с процессами обычного излучения ирезонансного поглощения существует третий процесс — вынужденное(индуцированное) излучение. Свет резонансной частоты, то есть той частоты,которую атомы способны поглощать, переходя на высшие энергетические уровни,должен вызывать свечение атомов, уже находящихся на этих уровнях, если таковыеимеются в среде. Характерная особенность этого излучения заключается в том, чтоиспускаемый свет неотличим от вынуждающего света, то есть совпадает с последнимпо частоте, по фазе, поляризации и направлению распространения. Это означает,что вынужденное излучение добавляет в световой пучок точно такие же квантысвета, какие уводит из него резонансное поглощение.
Атомы среды могутпоглощать свет, находясь на нижнем энергетическом уровне, излучают же они наверхних уровнях. Отсюда следует, что при большом количестве атомов на нижнихуровнях (по крайней мере, большем, чем количество атомов на верхних уровнях),свет, проходя через среду, будет ослабляться. Напротив, если число атомов наверхних уровнях больше числа невозбужденных, то свет, пройдя через даннуюсреду, усилится. Это значит, что в данной среде преобладает индуцированноеизлучение. Пространство между зеркалами заполнено активной средой, то естьсредой, содержащей большее количество возбужденных атомов (атомов, находящихсяна верхних энергетических уровнях), чем невозбужденных. Среда усиливаетпроходящий через неё свет за счет индуцированного излучения, начало которомудаёт спонтанное излучение одного из атомов.
Лазерное излучение — естьсвечение объектов при нормальных температурах. Но в обычных условияхбольшинство атомов находятся на низшем энергетическом состоянии. Поэтому принизких температурах вещества не светятся. При прохождении электромагнитнойволны сквозь вещество её энергия поглощается. За счёт поглощенной энергии волнычасть атомов возбуждается, то есть переходит в высшее энергетическое состояние.При этом от светового пучка отнимается некоторая энергия:
hν=E2-E1,
где hν — величина,соответствующая количеству потраченной энергии,
E2 — энергия высшегоэнергетического уровня,
E1 — энергия низшегоэнергетического уровня.
Возбужденный атом можетотдать свою энергию соседним атомам при столкновении или испустить фотон влюбом направлении. Теперь представим, что каким-либо способом мы возбудилибольшую часть атомов среды. Тогда при прохождении через веществоэлектромагнитной волны с частотой
/>,
где v — частотаволны,
Е2 — Е1 — разница энергийвысшего и низшего уровней,
h — длина волны,
эта волна будет неослабляться, а напротив, усиливаться за счёт индуцированного излучения. Под еёвоздействием атомы согласованно переходят в низшие энергетические состояния,излучая волны, совпадающие по частоте и фазе с падающей волной.
1.1ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ЛАЗЕРНОГО ЛУЧА
Лазеры являютсяуникальными источниками света. Их уникальность определяют свойства, которыми необладают обычные источники света. В противоположность, например, обычнойэлектрической лампочке, электромагнитные волны, зарождающиеся в различныхчастях оптического квантового генератора, удаленных друг от друга намакроскопические расстояния, оказываются когерентны между собой. Это значит,что все колебания в различных частях лазера происходят согласованно. Чтобыразобрать понятие когерентности в деталях, нужно вспомнить понятиеинтерференции. Интерференция — это взаимодействие волн, при котором происходитсложение амплитуд этих волн. Если удается запечатлеть процесс этоговзаимодействия, то можно увидеть так называемую интерференционную картину (онавыглядит как чередование темных и светлых участков). Интерференционную картинуосуществить довольно трудно, так как обычно источники исследуемых волнпорождают волны несогласованно, и сами волны при этом будут гасить друг друга.В этом случае интерференционная картина будет чрезвычайно размыта или же небудет видна вовсе. Процесс взаимного гашения схематично представлен на рис.1(а)Следовательно, решение проблемы получения интерференционной картины лежит виспользовании двух зависимых и согласованных источников волн. Волны отсогласованных источников излучают таким образом, что разность хода волн будетравна целому числу длин волн. Если это условие выполняется, то амплитуды волннакладываются друг на друга и происходит интерференция волн рис. 1(б). Тогдаисточники волн можно назвать когерентными.
Когерентность волн, иисточников этих волн можно определить математически. Пусть Е1 — напряженностьэлектрического поля, создаваемая первым пучком
света, Е2 — вторым.Допустим, что пучки пересекаются в некоторой точке пространства А. Тогдасогласно принципу суперпозиции напряженность поля в точке А равна
Е = Е1 + Е2
Так как в явленияхинтерференции и дифракции оперируют относительными
значениям величин, тодальнейшие операции будем производить с величиной — интенсивность света,которая обозначена за I и равна
I = E2
Меняя величину I на определеннуюранее величину Е, получаем
I = I1 + I2 + I12,
где I1 — интенсивностьсвета первого пучка,
I2 — интенсивность светавторого пучка.
Последнее слагаемое I12учитывает взаимодействие пучков света и называется интерференционным членом.Это слагаемое равно
I12 = 2 (E1 * E2)
Если взять независимыеисточники света, например, две электрические лампочки, то повседневный опытпоказывает, что I = I1 + I2, то есть результирующая интенсивность равна суммеинтенсивностей налагающихся пучков, а потому интерференционный член обращаетсяв ноль. Тогда говорят, что пучки некогерентны между собой, следовательно,некогерентны и источники света. Однако, если накладывающиеся пучки зависимы, тоинтерференционный член не обращается в ноль, а потому I I1 + I2. Вэтом случае в одних точках пространства результирующая интенсивность I больше,в других – меньше интенсивностей I1 и I2. Тогда и происходит интерференцияволн, а значит, источники света оказываются когерентными между собой. Спонятием когерентности также связано понятие пространственной когерентности.Два источника электромагнитных волн, размеры и взаимное расположение которыхпозволяет получить интерференционную картину, называются пространственнокогерентными. Другой замечательной чертой лазеров, тесно связанной скогерентностью их излучения, является способность к концентрации энергии — концентрации во времени, в спектре, в пространстве, по направлениюраспространения. Первое означает то, что излучение оптического генератора можетдлиться всего около сотни микросекунд. Концентрация в спектре предполагает, чтоширина спектральной линии лазера очень узка. Это монохроматичность. Лазерытакже способны создавать пучки света с очень малым углом расхождения. Какправило, это значение достигает 10-5 рад. Это значит, что на Луне такой пучок,посланный с Земли, даст пятно диаметром около 3 км. Это является проявлением концентрации энергии лазерного луча в пространстве и по направлениюраспространения.
Для некоторых квантовыхгенераторов характерна чрезвычайно высокая степень монохроматичности ихизлучения. Любой поток электромагнитных волн всегда обладает набором частот.Излучение и поглощение атомной системы характеризуется не только частотой, но инекоторой неопределенностью этой величины, называемой шириной спектральнойлинии (или полосы). Абсолютно монохроматического одноцветного потока создатьнельзя, однако, набор частот лазерного излучения чрезвычайно узок, что иопределяет его очень высокую монохроматичность. Нужно отметить, что линии лазерногоизлучения имеют сложную структуру и состоят из большого числа чрезвычайно узкихлиний. Применяя соответствующие оптические резонаторы, можно выделить истабилизировать отдельные линии этой структуры, создав тем самым одночастотныйлазер.
Лазеры являются самымимощными источниками светового излучения. В узком интервале спектра (в течениепромежутка времени, продолжительностью порядка 10-13 с) у некоторых типовлазеров достигается мощность излучения порядка 1017 Вт/см2, в то время какмощность излучения Солнца равна только 7*103 Вт/см2, причём суммарно по всемуспектру. На узкий же интервал l=10-6 см (это ширина спектральной линии лазера)приходится у Солнца всего лишь 0,2 Вт/см2. Если задача заключается впреодолении порога в 1017 Вт/см2, то прибегают к различным методам повышениямощности.
Для повышения мощностиизлучения необходимо увеличить число атомов, участвующих в усилении световогопотока за счет индуцированного излучения, и уменьшить длительность импульса.
1.2 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЛАЗЕР
В 60-х годах, было установлено, что полупроводники — превосходныйматериал для лазеров.
Если соединить вместе две пластины из полупроводников разныхтипов, то посередине образуется переходная зона. Атомы вещества, находящиеся вней, способны возбуждаться при прохождении электрического тока поперек зоны игенерировать свет. Зеркалами, необходимыми для получения лазерного излучения,могут служить полированные и посеребренные грани самого кристаллаполупроводника.
Среди этих лазеров лучшим считается лазер на основе арсенидагаллия — соединения редкого элемента галлия с мышьяком. Его инфракрасноеизлучение имеет мощность до десяти ватт. Если этот лазер охладить дотемпературы жидкого азота (—200°), мощность его излучения можно увеличить в десятьраз. Это значит, что при площади излучающего слоя в 1 см2 мощность излучения достиглабы миллиона ватт. Но полупроводник с переходным слоем такого размера изготовитьпока невозможно по техническим причинам.
Можно возбуждать атомы полупроводника пучком электронов (как втвердотельных лазерах — лампой-вспышкой). Электроны проникают глубоко внутрьвещества, возбуждая большее количество атомов; ширина излучающей зоныоказывается в сотни раз шире, чем при возбуждении электрическим током. Поэтомумощность излучения таких лазеров с электронной накачкой достигает уже двухкиловатт.
Малые размеры полупроводниковых лазеров делают их очень удобнымидля применения там, где нужен миниатюрный источник света большой мощности.
1.3 ЖИДКОСТНЫЙ ЛАЗЕР
В твердых веществах можно создать большую концентрацию излучающихатомов и, значит, получить большую энергию с одного кубического сантиметрастержня. Но их трудно делать, они дороги и к тому же могут лопаться из-заперегрева во время работы.
Газы очень однородны оптически, рассеяние света в них мало,поэтому размер газового лазера может быть весьма внушительным: длина 10 метров при диаметре 10—20 сантиметров для него не предел. Но такое увеличение размера никого нерадует. Это вынужденная мера, необходимая для того, чтобы компенсироватьничтожное количество активных атомов газа, находящегося в трубке лазера поддавлением в сотые доли атмосферы. Прокачка газа несколько спасает дело,позволяя уменьшить размер излучателя.
Жидкости объединяют в себе достоинства и твердых и газообразныхлазерных материалов: плотность их всего в два-три раза ниже плотности твердыхтел (а не в сотни тысяч раз, как плотность газов). Поэтому количество их атомовв единице объема примерно одинаково. Значит, жидкостный лазер легко сделатьтаким же мощным, как лазер твердотельный. Оптическая однородность жидкостей неуступает однородности газов, а значит, позволяет использовать ее большиеобъемы. К тому же жидкость тоже можно прокачивать через рабочий объем,непрерывно поддерживая ее низкую температуру и высокую активность ее атомов.
1.3.1 ЛАЗЕРЫ НА КРАСИТЕЛЯХ
Называются они так потому, что их рабочая жидкость — растворанилиновых красок в воде, спирте, кислоте и других растворителях. Жидкостьналита в плоскую ванночку-кювету. Кювета установлена между зеркалами. Энергиямолекулы красителя накачивается оптически, только вместо лампы-вспышки сначалаиспользовались импульсные рубиновые лазеры, а позднее — лазеры газовые.Лазер-накачку внутрь жидкостного лазера не встраивают, а помещают вне лазера,вводя его луч в кювету через окошко в корпусе. Сейчас удалось добитьсягенерации света и с импульсной лампой, но не на всех красителях. Растворы могутизлучать импульсы света различной длины волны — от ультрафиолета доинфракрасного света — и мощностью от сотен киловатт до нескольких мегаватт(миллионов ватт), в зависимости от того, какой краситель налит в кювету. Лазерына красителях обладают одной особенностью. Все лазеры излучают строго на однойдлине волны. Это их свойство лежит в самой природе вынужденного излученияатомов, на котором основан весь лазерный эффект. В больших и тяжелых молекулахорганических красителей вынужденное излучение возникает сразу в широкой полоседлин волн. Чтобы добиться от лазера на красителях монохроматичности, на путилуча становится светофильтр. Это не просто окрашенное стекло. Он представляетсобой набор стеклянных пластин, которые пропускают только свет одной длиныволны. Меняя расстояние между пластинами, можно слегка изменить длину волнылазерного излучения. Такой лазер называется перестраиваемым. А для того, чтобылазер мог генерировать свет в разных участках спектра — переходить, скажем, отсинего к красному свету или от ультрафиолетового к зеленому, — достаточносменить кювету с рабочей жидкостью. Наиболее перспективны они оказались дляисследования структуры вещества. Перестраивая частоту излучения, можно узнать,свет какой длины волны поглощается или рассеивается на пути луча. Такимспособом можно определить состав атмосферы и облаков на расстоянии до двухсоткилометров, измерить загрязненность воды или воздуха, указав сразу, какогоразмера частицы его загрязняют. То есть можно построить прибор, автоматически инепрерывно контролирующий чистоту воды и воздуха.
Но наряду с широкополосными жидкостными лазерами существуют итакие, у которых, наоборот, монохроматичность гораздо выше, чем у лазеров натвердом теле или на газе.
Длина волны света лазера может изменяться, укорачиваясь иудлиняясь примерно на одну сотую (у хороших лазеров). Чем меньше расстояниемежду зеркалами, тем эта полоса шире. У полупроводниковых лазеров, например,она составляет уже несколько длин волн, а у лазера на основе солей неодима этаполоса — одна десятитысячная. Такое постоянство длины волны можно получитьтолько у больших газовых лазеров, да и то, если принять всяческие необходимыедля этого меры: обеспечить устойчивость температуры трубки, силы тока, еепитающего, и включить в схему лазера систему автоматической подстройки длиныволны излучения. Мощность излучения при этом должна быть минимальной: при ееповышении полоса расширяется. Зато в жидкостном неодимовом лазере узкая полосаизлучения получается сама собой и сохраняется даже при заметном повышениимощности излучения, а это крайне важно для всякого рода точных измерений.
Поэтому от того, насколько точно выдерживается длина волны света,излучаемого лазером, зависит и точность измерений. Уменьшение полосы излучениялазера в сто раз сулит стократное увеличение точности измерения длин.
1.4 ХИМИЧЕСКИЙ ЛАЗЕР И ДРУГИЕ
Поиск новых лазеров, новых путей повышения мощности лазерногоизлучения, ведется в разных направлениях. В их числе, например, квантовыйгенератор с химической накачкой, первый вариант которого был создан в Институтехимической физики АН СССР в лаборатории члена-корреспондента Академии наук В.Л. Тальрозе. В таком лазере в процессе реакции соединения фтора F с водородом Н2 илидейтерием D2образовавшиеся молекулы HF или DF переходят на высокий энергетический уровень.Спускаясь с этого уровня, они и создают лазерное излучение — молекулы HF на волне 2700 нм, молекулыDF — на волне 3600 нм. Влазерах этого типа достигаются мощности до 10 кВт.
В одном из сравнительно мощных импульсно-периодических газовыхлазеров в качестве рабочего вещества используются пары меди при температуре1500°С или в более простом варианте пары солей меди при температуре 400°С.Накачка осуществляется энергией электронов, движущихся в газовом разряде.Лазерное излучение происходит при переходе атомов меди из возбужденногосостояния в одно из двух метастабильных состояний, и при этом возможноизлучение на двух длинах волн 510,6 нм и 578,2 нм, соответствующих двумоттенкам зеленого цвета. В резонаторе, который представляет собой интенсивнопрокачиваемую трубу диаметром 5 см и длиной 1 м, достигнута мощность в импульсе 40 кВт при продолжительности импульсов 15—20 не, частоте следования 10—100 кГц, среднеймощности в несколько десятков ватт и кпд более 1%- Ведется работа по повышениюсредней мощности «медного» лазера до 1 кВт.
Особый класс образуют мощные лазеры на красителях, главноедостоинство которых — возможность плавного изменения частоты. Используемые вних жидкие среды имеют «размытые» энергетические уровни и допускают генерациюна многих частотах. Выбор одной из них может производиться изменениемпараметров резонатора, например, поворотом призмы внутри него. Если для накачкииспользовать мощные источники излучения, в частности, импульсные лазеры иосуществить интенсивную циркуляцию жидкого красителя, то становится реальнымсоздание лазеров с перестраиваемой частотой со средней мощностью порядка 100 Вти частотой повторения импульсов 10—50 кГц.
Когда речь заходит о перспективах, чаще других называют йодныйлазер, в резонаторе которого соединение иода, фтора и углерода CF3J или более сложныемолекулы под действием ультрафиолетовой накачки диссоциируют, разваливаются начасти. Отделившиеся атомы иода оказываются в возбужденном состоянии и вдальнейшем дают инфракрасное лазерное излучение с длиной волны 1315 нм. Частоназывают и лазеры на так называемых эксимерных молекулах, которые вообще могутнаходиться только в возбужденном состоянии. В процессе накачки затрачиваетсяэнергия на то, чтобы объединить разрозненные атомы в молекулу, и при этом онасразу оказывается возбужденной, готовой к излучению. И, отдав свой квантизлучения, сделав вклад в формирование лазерного луча, эксимерная молекулапросто распадается, атомы ее почти мгновенно разлетаются. Первый эксимерныйлазер был создан еще десять лет назад в лаборатории академика Н. Г. Басова,ультрафиолетовое лазерное излучение на волне 176 нм здесь получили привозбуждении жидкого ксенона Хе2 мощным пучком электронов. Лет через пять внескольких американских лабораториях получили лазерное излучение на другихэксимерных молекулах, главным образом соединениях инертных газов с галоидами,например, XeF, XeCl, XeBr, KrF и других. Эксимерные лазеры работают как в видимом, так и вультрафиолетовом диапазоне, причем они допускают некоторое изменение частоты.Созданы лазеры, имеющие кпд 10% и энергию 200 Дж в импульсе.
1.5МОЩНЫЕ ЛАЗЕРЫ
Одна из главных тенденций в развитии современной прикладной физики— это получение все более высоких плотностей энергии и поиск путейвысвобождения ее за все более короткое время. Стремительный прогресс квантовойэлектроники, привел к созданию большого семейства мощных лазеров. Мощные лазерыоткрыли принципиально новые возможности как для получения рекордно высокихконцентраций энергии в пространстве и времени, так и для очень удобного подводасветовой энергии к веществу. Прежде чем знакомиться с конкретными результатамипо созданию мощных лазеров, полезно вспомнить, что их можно разделить на тригруппы — импульсные, импульсно-периодические и непрерывные. Первые излучают светодиночными импульсами, вторые — непрерывными сериями импульсов, и, наконец,третьи, дают непрерывное излучение.
Мощность — характеристика относительная, она говорит о том, какаяработа выполнена, какая энергия затрачена или получена за единицу времени. Единицамощности, как известно, ватт (Вт) — он соответствует энергии в 1 Дж, выделившейсяза 1 секунду (с). Если выделение этой энергии растянется на 10 с, то на каждуюсекунду придется лишь 0,1 Дж и, следовательно, мощность составит 0,1 Вт. Ну, аесли 1 Дж энергии выделится за сотую долю секунды, то мощность составит уже 100Вт. Потому что при такой интенсивности процесса за секунду было бы выдано 100 Дж.На это «бы» не нужно обращать внимания — при определении мощности не имеетзначения, что процесс длился всего одну сотую секунды и энергии за это времявыделилось немного. Мощность говорит не о полном, итоговом, действии, а о егоинтенсивности, о его концентрации во времени. Если работа шла достаточно долго,во всяком случае, больше секунды, то мощность указывает на то, что былодействительно сделано за одну секунду.
В импульсном лазере излучение длится очень недолго, какие-тоничтожные доли секунды, и даже при небольшой излучаемой энергии процессоказывается сильно сжатым, сконцентрированным во времени, а мощность получаетсяогромной. Вот, например, что было в первом ОКГ, в первом рубиновом лазере,созданном в 1960 году: он излучал импульс света с энергией около 1 Дж ипродолжительностью 1 мс (миллисекунда, тысячная секунды), то есть мощностьимпульса составляла 1 кВт. Через некоторое время появились лазеры, которые тотже джоуль энергии излучали в гораздо более коротком импульсе — до 10 нс (наносекунда,миллиардная часть секунды). При этом мощность импульса с энергией в тот жеджоуль достигала уже 100 тысяч кВт. Это еще не Куйбышевская ГЭС, имеющаямощность 2 миллиона кВт, но уже электростанция для небольшого города. С той,конечно, разницей, что лазер развивает эту огромную мощность лишь в миллиардныедоли секунды, а электростанция — непрерывно круглые сутки. Нынешние лазеры даютимпульсы длительностью до 0,01 нс, при той же энергии 1 Дж их мощностьдостигает 100 миллионов кВт. Источник энергии Плотность энергии Дж/см3 Плотность мощности Вт/см3 Электрический конденсатор 10-2 — Электрический разряд 10-4 108—109 Химическое взрывчатое вещество 104 109 Сильноточный электронный пучок 106 1013—1014 Ядерное взрывчатое вещество 1010— 1011 1016—1018 Сфокусированный мощный лазерный пучок 1010—1012 1020—1022 Аннигиляция вещества (плотность 10 г/см3) 1015 —
Лазерный луч — это поток исключительно упорядоченного когерентногоизлучения, остронаправленного, сконцентрированного в пределах небольшоготелесного угла. Именно за все эти качества мы платим столь высокую цену — кпдлазеров составляет доли процента, а в лучшем случае несколько процентов, тоесть на каждый джоуль лазерного излучения нужно затратить десятки, а то и сотниджоулей энергии накачки. Но часто даже такая высокая плата совершеннооправданна,— теряя количество, мы приобретаем качество. В частности,когерентность, направленность лазерного луча в сочетании с последующейфокусировкой в очень малом объеме, например, до сферы диаметром 0,1 мм, и сжатием процесса во времени, то есть излучением очень короткими импульсами, позволяетполучить огромные плотности энергии. Об этом напоминает таблица 1. Из таблицывидно, что концентрации энергии в сфокусированном мощном лазерном луче всего втысячу раз меньше своеобразного рекордного значения для полной аннигиляциивещества нормальной плотности, полного превращения массы в энергию. Увеличениемощности лазеров связано с некоторыми общими проблемами, прежде всего сосвойствами рабочего тела, то есть самого вещества, где рождается излучение. Ноесть и проблемы специфические для импульсных, импульсно-периодических инепрерывных лазеров. Так, например, для импульсных лазеров одна из важныхпроблем — стойкость оптических элементов в сильном световом поле очень короткихимпульсов. Для непрерывных и импульсно-периодических очень важна проблемаотвода тепла, так как эти лазеры развивают большую среднюю мощность. Длялазера, работающего в режиме длинной очереди, импульсная мощность говорит отом, как сконцентрирована во времени энергия одного импульса, а средняя — оработе, которую выполняет серия импульсов, длившаяся секунду. Так, например,если лазер в секунду дает 20 импульсов длительностью 1 мс и энергией 1 Дж вкаждом, то импульсная мощность составит 1 кВт, а средняя — 20 Вт.
Все виды лазеров начинали с достаточно скромных энергетическихпоказателей, а совершенствовались зачастую разными путями. В частности, первыйимпульсный лазер работал в режиме свободной генерации — в нем самопроизвольновозникала лавина лазерного излучения и опять-таки сама собой прекращалась поокончании возбуждения. Импульс длился по нынешним меркам долго, и этоопределило сравнительно невысокую импульсную мощность.
Через несколько лет научились управлять генерацией методоммодуляции добротности, вводя в резонатор ячейку Керра или другой аналогичныйэлемент, который под действием электрического напряжения меняет свои оптическиесвойства. В обычном состоянии ячейка закрыта, непрозрачна, и лазерная лавина врезонаторе не возникает. Только под действием короткого электрического импульсаячейка открывается, и в рабочем теле возникает короткий лазерный импульс. Егодлительность может быть всего в несколько раз больше времени прохождения светамежду зеркалами лазера, то есть может составлять 10—20 нс.
Этот метод дал заметный прирост импульсной мощности за счетуменьшения длительности импульса. Очень короткие импульсы, вплоть допикосекундных, получают в режиме синхронизации, или, иначе, в режиме захватамод. Здесь в резонатор вводят особый нелинейный элемент, он неодинаково ведетсебя, неодинаково просветляется для разных по интенсивности всплесков излученияи как бы вырезает из наносекундного светового импульса очень короткиепикосекундные всплески интенсивности.
1.5.1 МНОГОКАСКАДНЫЕ И МНОГОКАНАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ
Значительный прогресс в создании мощных импульсных лазеров связанс использованием столь удачного материала, как неодимовое стекло. Здесьизлучателями служат включенные в стеклянную структуру ионы неодима Nd (один из лантанидов,60-й элемент таблицы Менделеева), их в стекло вводится несколько процентов. Поддействием накачки ионы неодима переходят на один из высоких энергетическихуровней, а затем сами спускаются на некоторый метастабильный уровень, где могутнаходиться сравнительно долго, примерно 300 мкс. Это позволяет накапливать наметастабильном уровне довольно большое число ионов, а затем «высвечивать» ихэнергию в коротком импульсе. Излучение происходит на волне 1,06 мкм = 1060 нм =10 600 Å, то есть в инфракрасном диапазоне самое длинноволновое видимоеизлучение — это красный свет с длиной волны примерно 750 нм (7500Å).
При хорошей накачке в неодимовом стержне удается получитьплотность энергии 0,5 Дж/см3, то есть в каждом кубическом сантиметре накопить0,5 Дж, рассредоточенных в огромном числе возбужденных ионов неодима. Здесь,казалось бы, виден простой путь повышения средней мощности — нужно простоувеличить число работающих ионов, то есть увеличить объем рабочего тела, итогда общая накопившаяся в нем энергия возрастет. Именно так и поступают, нотолько разделяют в пространстве процесс генерирования лазерного излучения иповышения его мощности — установки делают многоступенчатыми, многокаскадными.
Первый каскад — это сам лазер-генератор, в котором формируетсясветовой импульс. От него не требуется большой мощности — генератор долженвыдать короткий импульс, а увеличение мощности произойдет в следующих каскадах,в лазерах-усилителях. Для усилителя световой импульс лазера-генератора — это исигнал к действию, и образец, по которому нужно создать более мощный световойимпульс. Излучение света ионами неодима происходит не самопроизвольно, а поддействием светового импульса, поступающего от лазера-генератора. Усилитель впринципе устроен так же, как генератор, но в нем нет резонатора, то есть, нетзеркал.
Большой средней мощности от неодимового лазера не получить —стекло плохо проводит и отдает тепло. Что же касается импульсной мощности, тоона ограничивается нелинейными процессами, такими, например, каксамофокусировка, которая приводит к разрушению стекла в сильном световом поле.Чтобы неодимовый стержень отдал всю мощность, которую в нем можно накопить, поэтому стержню должен идти поток световой энергии 6 Дж/см2. Но, к сожалению,такая энергетическая нагрузка для неодимового стекла недопустима — уже поток1—2 Дж/см1 приводит к повреждению оптических элементов. А поток мощностью в 5 ГВт/см2,который при длительности импульса 0,1 нс сопровождается потоком энергии всего0,5 Дж/см2, приводит к самофокусировке луча в резонаторе — из-за неравномерногоизменения оптических свойств стекло искривляет лучи, искажает волновой фронт, концентрируетизлучение до такой степени, что само же и разрушается. Чтобы увеличить потокэнергии, не превышая допустимую ее плотность, то есть, не превышая терпимое ещечисло джоулей, которое приходится на каждый квадратный сантиметр сечениястержня, стараются сделать это сечение как можно больше. Таким образом,неодимовый стержень лазера-усилителя превращается в диск, его располагают подопределенным углом и накачку производят через плоскости диска.
Типичный дисковый усилитель повышает мощность излучения в 3—4раза, а наибольшая выходная мощность всей усилительной системы определяетсяразмерами последнего диска — его диаметр обычно не превышает 30 см, а наибольшая выходная энергия составляет 1—2 кДж при длительности импульса 0,1 нс. Увеличениедиаметра диска, а вместе с ним излучаемой мощности тоже ограничено несколькимисложными процессами, в частности возникновением самопроизвольной паразитнойгенерации.
Много трудностей связано также с многокаскадностью усилителей, ипоэтому, стремясь к очень большой мощности, создают не только многокаскадные,но еще и многоканальные лазерные системы. В них несколько многокаскадныхусилителей, получающих первичный импульс от общего генератора, работаютпараллельно, а затем с помощью оптических приборов — зеркал, призм, объективов— все эти параллельные каналы складывают свои излучения на общей мишени.Примером такой многоканальной установки может служить «Дельфин», созданный вФизическом институте Академии наук имени П. Н. Лебедева в лаборатории академикаН. Г. Басова. В «Дельфине» 216 параллельных многокаскадных усилительных каналовпо 50 Дж, суммарная энергия лазерного излучения — около 10 кДж, что придлительности импульса 1 не дает мощность в импульсе 10 миллиардов кВт, то есть10 ТВт (тераватт). В Ливерморской лаборатории имени Лоуренса в США была созданадвенадцатиканальная установка «Шива» (стоившая, кстати, 20 миллионов долларов),каждый дисковый усилитель которой дает излучение с энергией 1 кДж в импульсе.
Другое вещество для рабочего тела мощных лазеров, сегодня, можетбыть, даже самое удачное, это углекислый газ, точнее, его смесь с азотом игелием. В углекислотных, или, иначе, СО2-лазерах, основной излучатель — этомолекула СО2, она в столкновениях получает энергию от молекулы азота N2, а онлегко приобретает энергию в процессе накачки. Одно из важных достоинствуглекислотного лазера — его универсальность, здесь характеристики самихпроцессов накопления энергии и излучения позволяют работать и в импульсном, и вимпульсно-периодическом, и в непрерывном режимах. Во всех случаях СО2-лазергенерирует инфракрасные лучи на волне порядка 10 600 нм, что примерно в 15 раздлиннее волны, соответствующей красному свету.
Основной источник накачки в углекислотном лазере — электрическийток, а конкретно — тлеющий разряд в самом газе, в процессе которого молекулы N2получают энергию от движущихся электронов.
Помимо чисто физических проблем, связанных с тонкими молекулярнымимеханизмами излучения и накачки, создатели мощных лазеров сталкиваются еще и снепростыми инженерными задачами. Одна из них — снижение температуры активноговещества в резонаторе. В частности, СО2-лазеры имеют сравнительно высокий кпд,примерно 10%, но даже при этом на каждый киловатт излучаемой средней мощностиприходится 9 киловатт мощности теряемой, выделяющейся в газе в основном в видетепла. А сильный нагрев газовой смеси снижает усиление, нарушает оптическуюоднородность газа, наконец, просто производит разрушения — разваливает молекулыактивного вещества, разрушает кювету, в которой находится газ.
Одно из ограничений мощности — пробой газовой смеси самиминфракрасным излучением, он происходит при плотности лазерного потока врезонаторе 10 Дж/см2. Но реальный допустимый порог плотности еще ниже. Уже припотоках 3 Дж/см2 повреждаются элементы инфракрасной оптики и при еще меньшейэнергии возникают сложные явления, нарушающие когерентность излучения. В первыхуглекислотных лазерах использовался продольный разряд — высокое напряжениедействовало вдоль трубы с газом, а мощность наращивали, увеличивая длину труб,создавая очень длинные, многометровые резонаторы. В итоге удавалось получатьмощности порядка киловатта непрерывного излучения, один из первых мощныхкиловаттных СО2-лазеров был построен в Физическом институте имени П. Н. Лебедевав лаборатории академика А. М. Прохорова. Полезно вспомнить, что первыенепрерывные гелий-неоновые лазеры имели мощности в несколько милливатт икакое-то время казалось, что милливаттами, в лучшем случае ваттами дело иограничится.
Заметное продвижение вперед по шкале мощности лазерного излучениясвязано с идеей быстрой прокачки газа. Слово это созвучно «накачке», но ничегообщего с ней не имеет — углекислый газ прокачивают, прогоняют через резонатор исоздают, таким образом, интенсивную циркуляцию газа, обеспечивая последующееего охлаждение в теплообменниках. Прокачку производят не вдоль резонатора, апоперек, и электрический разряд тоже создают не продольный, а поперечный.Интересное направление в части накачки газовых лазеров открыли работы лабораторииакадемика Н. Г. Басова. Чтобы получить равномерное возбуждение плотного газа,при давлении вплоть до 25 атмосфер, на него извне воздействуют пучком быстрыхэлектронов. Так родилось семейство лазеров с несамостоятельным разрядом.Примером современного мощного СО2 лазера с непрерывным излучением может служитьустановка ЛТ-1, созданная в Институте атомной энергии имени И. В. Курчатова влаборатории академика Е. П. Велихова. В ней осуществляется поперечнаяциркуляция смеси СО2: N2: Не, в которую эти составляющие входят в пропорции1:20:20. Через теплообменник ежесекундно проходит 2—3 кубометра газа, откоторого отбирается 50 кВт тепловой мощности. Предварительные исследованияпозволили применить сравнительно маломощный источник внешней ионизации газа и,не повышая его давления, создать непрерывное лазерное излучение мощностью 5киловатт.
В числе самых мощных источников непрерывного когерентногоизлучения — газодинамические лазеры. Эти приборы не имеют аналогов в квантовойэлектронике, в них когерентное излучение рождается непосредственно из тепловойэнергии. В одном из вариантов газодинамического лазера сильно нагретая смесьазота, углекислого газа и паров воды N2: СО2: Н2О под высоким давлением входитв расширяющееся сопло. На выходе поток газа достигает сверхзвуковых скоростей,его температура и давление резко падают. При этом энергия хаотического движениямолекул переходит в энергию упорядоченного движения газового потока. Толькомолекулы азота N2, обладающие большой инерцией собственных колебательныхдвижений, оказываются хранителями заметных энергетических запасов. Эти запасы сбольшой эффективностью передаются молекулам углекислого газа CO2, которые, попадая впространство между двумя зеркалами, то есть попадая в оптический резонатор,генерируют инфракрасное излучение с обычной для СО2 длиной волны—10600 нм. Газоваясмесь, отдавшая свою энергию лазерному лучу, сама уходит из резонатора, насмену ей приходят другие порции газа, и таким образом нет проблемы перегрева,хотя и расход газа велик. Созданы и описаны в литературе газодинамическиелазеры с мощностью непрерывного излучения до 100 кВт, их кпд 1 — 2%, расходгаза — 1 кг на 10—20 кДж, энергии излучения. Обсуждается идея фотонной машины,в которой газ, выбрасываемый газодинамическим лазером, будет поступать вкомпрессор и из него вновь возвращаться к началу расширительного сопла. Вомногих лабораториях разрабатываются химико-газодинамические иэлектрогазодинамические лазеры, где для накопления энергии и формированияисходного газового потока используются электрические или химические процессы.
Интересный способ накачки газового лазера был продемонстрирован влаборатории академика Е. П. Велихова и двух американских лабораториях — накачкауглекислотного лазера осуществлялась нейтронами прямо от ядерного реактора. Приэтом гелий, который входил в газовую смесь, под действием нейтроннойбомбардировки превращался в тритий, выбрасывая протон, и именно энергиейпротонов производилась накачка молекул газовой смеси. Рассматриваются другие возможностииспользования ядерной энергии для создания лазерного излучения, вплоть довведения излучающих элементов непосредственно в реактор. В этом случаепоявляется возможность создания замкнутой системы реактор—лазер, в которойбудет происходить прямое, без посредников, преобразование ядерной энергии вкогерентное световое излучение высокой мощности. Такой реактор-лазер мог быстать важным элементом энергетики будущего. В частности, работая на космическойорбите, он мог бы передавать энергию на Землю в виде мощного лазерного луча.
2.ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРОВ
2.1ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРНОГО ЛУЧА В ПРОМЫШЛЕННОСТИ И ТЕХНИКЕ
Оптические квантовыегенераторы и их излучение нашли применение во многих отраслях промышленности.Так, например, в индустрии наблюдается применение лазеров для сварки, обработкии разрезания металлических и диэлектрических материалов и деталей вприборостроении, машиностроении и в текстильной промышленности. Начиная с 1964года малопроизводительное механическое сверление отверстий стало заменяться лазернымсверлением. Термин лазерное сверление не следует понимать буквально. Лазерныйлуч не сверлит отверстие: он его пробивает за счет интенсивного испаренияматериала в точке воздействия. Пример такого способа сверления — пробивкаотверстий в часовых камнях, которая сейчас уже является обычным делом. Для этойцели применяются твердотельные импульсные лазеры, например, лазер на стекле снеодимом. Отверстие в камне (при толщине заготовки около 0,1 — 0.5 мм.) пробивается серией из нескольких лазерных импульсов, имеющих энергию около 0,1 — 0,5 Дж. идлительностью около 10-4 с. Производительность установки в автоматическомрежиме составляет 1 камень в секунду, что в 1000 раз выше производительностимеханического сверления. Лазер используется и при изготовлении сверхтонкихпроволок из меди, бронзы, вольфрама и других металлов.
При изготовлении проволокприменяют технологию протаскивания (волочения) проволоки сквозь отверстия оченьмалого диаметра. Эти отверстия (или каналы волочения) высверливают вматериалах, обладающих особо высокой твердостью, например, в сверхтвердыхсплавах. Наиболее тверд, как известно, алмаз. Поэтому лучше всего протягиватьтонкую проволоку сквозь отверстия в алмазе (алмазные фильеры). Только онипозволяют получить проволоку диаметром всего 10 мкм. Однако, на механическоесверление одного отверстия в алмазе требуется 10 часов(!). Зато совсем нетруднопробить это отверстие серией из нескольких мощных лазерных импульсов. Как и вслучае с пробивкой отверстий в часовых камнях, для сверления алмазаиспользуются твердотельные импульсные лазеры.
Лазерное сверление широкоприменяется при получении отверстий в материалах, обладающих повышеннойхрупкостью. В качестве примера можно привести подложки микросхем, изготовленныеиз глиноземной керамики. Из-за высокой хрупкости керамики механическоесверление выполняется на “сыром” материале. Обжигают керамику уже послесверления. При этом происходит некоторая деформация изделия, искажаетсявзаимное расположение высверленных отверстий. При использовании “лазерныхсверл” можно спокойно работать с керамическими подложками, уже прошедшимиобжиг. Интересно применение лазера и как универсального паяльника. Предположим,что внутри электронно-лучевой трубки произошла авария — перегорел или оборвалсякакой-нибудь провод, нарушился контакт. Трубка вышла из строя. Казалось бы,поломка неисправима, ведь ЭЛТ представляет собой устройство, все внутренниекомпоненты которого находятся в вакууме, внутри стеклянного баллона, и никакомупаяльнику туда не проникнуть. Однако, лазерный луч позволяет решать и такиезадачи. Направляя луч в нужную точку и должным образом фокусирую его, можноосуществить сварочную работу. Лазеры с плавной перестройкой частоты служатосновой для спектральных приборов с исключительно высокой разрешающей силой.
Например, пусть требуетсяисследовать спектр поглощения какого-либо вещества. Измерив величину лазерногопотока, падающего на изучаемый объект, и прошедшего через него, можно вычислитьзначение коэффициента поглощения. Перестраивая частоту лазерного излучения,можно, следовательно, определить коэффициент поглощения как функцию от длиныволны. Разрешающая способность этого метода совпадает, очевидно, с ширинойлинии лазерного излучения, которую можно сделать очень малой. Ширина линии,равная, например, 10-3 см-1 обеспечивает такую же разрешающую способность, каки дифракционная решётка с рабочей поверхностью 5 м., а изготовление таких решёток представляет собой почти неразрешимую задачу. Лазеры позволилиосуществить светолокатор, с помощью которого расстояние до предметов измеряетсяс точностью до нескольких миллиметров. Такая точность недоступна длярадиолокаторов.
В настоящее время в миресуществует несколько десятков лазерных локационных систем. Многие из них ужеимеют космическое значение. Они осуществляют локацию Луны и геодезическихискусственных спутников Земли. В качестве примера можно назватьлазеро-локационную систему Физического института имени П. Н. Лебедева.Погрешность измерения при использовании данной системы составляет 40 см. Проведение таких исследований организуется для того, чтобы точнее узнать расстояние до Луны втечение некоторого периода времени, например, в течение года. Исследуя графики,описывающие изменение этого расстояния со временем, ученые получают ответы наряд вопросов, имеющих научную важность.
Импульсные лазерныелокаторы сегодня применяются не только в космонавтике, но и в авиации. Вчастности, они могут играть роль научных измерителей высоты. Лазерный высотомерприменялся также в космическом корабле “Аполлон” для фотографированияповерхности Луны. Впрочем, у оптических лазерных систем есть и свои слабыестороны. Например, не так просто при помощи остронаправленного луча лазера обнаружитьобъект, так как время обзора контролируемой области пространства оказываетсяслишком большим. Поэтому оптические локационные системы используются вместе срадиолокационными. Последние обеспечивают быстрый обзор пространства,обнаруживают цель, а затем оптическая система измеряет параметры цели иосуществляет слежение за ней. Большой интерес представляют последние разработкив области создания телевизора на основе лазерных технологий. Согласно ожиданиямспециалистов, такой телевизор должен отличаться сверхвысоким качествомизображения. Стоит также отметить использование лазеров в уже давно известныхпринтерах высокого качества или лазерных принтерах. В этих устройствах лазерноеизлучение используется для создания на специальном светочувствительном барабанескрытой копии печатаемого изображения.
2.2ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРОВ В МЕДИЦИНЕ
В медицине лазерныеустановки нашли свое применение в виде лазерного скальпеля. Его использованиедля проведения хирургических операций определяют следующие свойства:
1. Он производитотносительно бескровный разрез, так как одновременно с рассечением тканей онкоагулирует края раны “заваривая” не слишком крупные кровеносные сосуды;
2. Лазерный скальпельотличается постоянством режущих свойств. Попадание на твердый предмет (например,кость) не выводит скальпель из строя. Для механического скальпеля такаяситуация стала бы фатальной;
3. Лазерный луч в силусвоей прозрачности позволяет хирургу видеть оперируемый участок. Лезвие жеобычного скальпеля, равно как и лезвие электроножа, всегда в какой-то степенизагораживает от хирурга рабочее поле;
4. Лазерный луч рассекаетткань на расстоянии, не оказывая никакого механического воздействия на ткань;
5. Лазерный скальпельобеспечивает абсолютную стерильность, ведь с тканью взаимодействует толькоизлучение;
6. Луч лазера действуетстрого локально, испарение ткани происходит только в точке фокуса. Прилегающиеучастки ткани повреждаются значительно меньше, чем при использованиимеханического скальпеля;
7. Как показалаклиническая практика, рана от лазерного скальпеля почти не болит и быстреезаживляется.
Практическое применениелазеров в хирургии началось в СССР в 1966 году в институте имени А. В.Вишневского. Лазерный скальпель был применен в операциях на внутренних органахгрудной и брюшной полостей. В настоящее время лазерным лучом делаюткожно-пластические операции, операции пищевода, желудка, кишечника, почек,печени, селезенки и других органов. Очень заманчиво проведение операций сиспользованием лазера на органах, содержащих большое количество кровеносныхсосудов, например, на сердце, печени.
В настоящее времяинтенсивно развивается новое направление в медицине -лазерная микрохирургияглаза. Исследования в этой области ведутся в Одесском Институте глазныхболезней имени В. П. Филатова, в Московском НИИ микрохирургии глаза и во многихдругих “глазных центрах” стран содружества Первое применение лазеров вофтальмологии было связано с лечением отслоения сетчатки. Внутрь глаза череззрачок посылаются световые импульсы от рубинового лазера (энергия импульса 0,01- 0,1 Дж, длительность порядка — 0,1 с.). Они свободно проникают сквозьпрозрачное стекловидное тело и поглощаются сетчаткой. Фокусируя излучение наотслоившемся участке, последнюю “приваривают” к глазному дну за счеткоагуляции. Операция проходит быстро и совершенно безболезненно.
Вообще, из наиболеесерьезных заболеваний глаза, приводящих к слепоте, выделяют пять. Это глаукома,катаракта, отслоение сетчатки, диабетическая ретинопатия и злокачественнаяопухоль. Сегодня все эти заболевания успешно лечатся при помощи лазеров, причемтолько для лечения опухолей разработано и используется три метода:
1. Лазерное облучение — облучение опухоли расфокусированным лазерным лучом, приводящее к гибели раковыхклеток, потери ими способности к размножению
2. Лазерная коагуляция — разрушение опухоли умеренно сфокусированным излучением.
3. Лазерная хирургия — наиболее радикальный метод. Заключается в иссечении опухоли вместе сприлегающими тканями сфокусированным излучением.
2.3ГОЛОГРАФИЯ
2.3.1ВОЗНИКНОВЕНИЕ ГОЛОГРАФИИ
Метод фотографирования,используемый для сохранения изображения предметов, известен уже довольно долгоевремя и сейчас это самый доступный способ получения изображения объекта накаком-либо носителе (фотобумага, фотоплёнка). Однако информация, содержащаяся вфотографии весьма ограничена. В частности, отсутствует информация о расстоянияхразличных частей объекта от фотопластинки и других важных характеристиках.Другими словами, обычная фотография не позволяет восстановить полностью тот волновойфронт, который на ней был зарегистрирован. В фотографии содержится более илименее точная информация об амплитудах зафиксированных волн, но полностьюотсутствует информация о фазах волн. Голография позволяет устранить этотнедостаток обычной фотографии и записать на фотопластинке информацию не толькооб амплитудах падающих на неё волн, но и о фазах, то есть полную информацию.Волна, восстановленная с помощью такой записи, полностью идентичнапервоначальной, содержит в себе всю информацию, которую содержалапервоначальная волна. Поэтому метод был назван голографией, то есть методомполной записи волны. Для того чтобы осуществить этот метод в световомдиапазоне, необходимо иметь излучение с достаточно высокой степеньюкогерентности. Такое излучение можно получить при помощи лазера. Поэтому толькопосле создания лазеров, дающих излучение с высокой степенью когерентности,удалось практически осуществить голографию. Идея голографии была выдвинута ещев 1920 году польским физиком М. Вольфке (1883-1947), но была забыта. В 1947году независимо от Вольфке идею голографии предложил и обосновал английскийфизик Д. Габор, удостоенный за это в 1971 году Нобелевской премии.
2.3.2СПОСОБЫ ГОЛОГРАФИРОВАНИЯ
Говоря о процессесоздания голографического изображения, необходимо выделить этапыголографирования:
1. Регистрация какамплитудных, так и фазовых характеристик волнового поля, отраженного объектомнаблюдения. Эта регистрация происходит на фотопластинках, которые называютголограммами.
2. Извлечение изголограммы информации об объекте, которая на ней зарегистрирована. Для этогоголограмму просвечивают световым пучком.
Для осуществления этихэтапов на практике существует несколько способов.
Наиболее распространенныеиз них — метод плоской волны и метод встречных пучков.
Стандартнаяинтерференционная картина получается при интерференции когерентных световыхволн. Таким образом для регистрации фазовых соотношений в волновом поле,которое получается в результате отражения волны объектом наблюдения,необходимо, чтобы объект был освещен монохроматическим и когерентным впространстве излучением. Тогда и поле, рассеянное объектом в пространстве,будет обладать этими свойствами.
Если добавить кисследуемому полю, создаваемому объектом, вспомогательное поле той же частоты,например, плоскую волну (её обычно называют опорной волной), то на всёмпространстве, где обе волны пересекаются, образуется сложное, но стационарноераспределение областей взаимного усиления и ослабления волн, то естьстационарная интерференционная картина, которую уже можно зафиксировать нафотопластинке.
Для того чтобывосстановить голографическое изображение, уже записанное на голограмму,последнюю необходимо осветить тем же лучом лазера, который был использован призаписи. Изображение объекта формируется в результате дифракции света нанеоднородных почернениях голограммы.
В 1962 году советскимученым Ю. Н. Денисюком был предложен метод получения голографическихизображений, являющийся развитием практически уже тогда не применявшегосяспособа цветной голографии Липпмана. Объект наблюдения освещается сквозьфотопластинку (она вполне прозрачна для света даже в непроявленном состоянии).Стеклянная подложка фотопластинки покрыта фотоэмульсией с толщиной слоя около15 — 20 мкм. Отраженное от объекта волновое поле распространяется назад понаправлению к слою фотоэмульсии. Идущий навстречу этой волне исходный световойпучок от лазера выполняет роль опорной волны. Именно поэтому данный методполучил название метода встречных пучков. Интерференция волн, возникающая в толщефотоэмульсии вызывает ее слоистое почернение, которое регистрируетраспределение, как амплитуд, так и фаз волнового поля, рассеянного объектомнаблюдения. На голографии по методу встречных световых пучков основана цветнаяголография. Чтобы уяснить принцип действия цветной голографии нужно напомнить,в каких случаях человеческий глаз воспринимает изображение цветным, а нечерно-белым.
Опыты по физиологиизрения показали, что человек видит изображение цветным или хотя бы близким кнатуральной окраске объекта, если оно воспроизводится минимум в трех цветах,например, в синем, красном и зеленом. Совмещение этих цветов осуществляется присамой примитивной цветной репродукции, выполняемой методом литографии(для высокохудожественных репродукций используется 10 — 15 красочная печать)
Учитывая особенностичеловеческого восприятия, чтобы восстановить цветное изображение объекта,необходимо сам объект осветить при записи голограммы одновременно илипоследовательно лазерным излучением трех спектральных линий, отстоящих подлинам волн достаточно далеко друг от друга. Тогда в толще фотоэмульсииобразуется три системы стоячих волн и, соответственно, три системыпространственных решеток с различным распределением почернения. Каждая из этихсистем будет формировать изображение объекта в своем спектральном участкебелого цвета, используемого при восстановлении изображения. Благодаря этому вотраженном от обработанной голограммы расходящемся пучке белого света получитсяцветное изображение объекта, как результат суперпозиции трех участков спектра,что соответствует минимальным физиологическим требованиям зрения человека.Голографирование по методу Денисюка широко используется для получениявысококачественных объемных копий различных предметов, например, уникальныхпроизведений искусства.
2.3.3ПРИМЕНЕНИЕ ГОЛОГРАФИИ
Как уже было указано,первоначальная задача голографии заключалась в получении объёмного изображения.С развитием голографии на толстослойных пластинах возникла возможность созданияобъёмных цветных фотографий. На этой базе исследуются пути реализацииголографического кино, телевидения и т. д. Один из методов прикладнойголографии, именуемый голографическойинтерферометрией, нашелочень широкое распространение. Суть метода в следующем. На одну фотопластинкупоследовательно регистрируются две интерференционные картины, соответствующиедвум разным, но мало отличающимся состояниям объекта, например, при деформации.При просвечивании такой “двойной” голограммы образуются, очевидно, дваизображения объекта, измененные относительно друг друга в той же мере, что иобъект в двух его состояниях.
Восстановленные волны,формирующие эти два изображения, когерентны, интерферируют, и на новомизображении наблюдаются интерференционные полосы, которые и характеризуютизменение состояния объекта. В другом варианте голограмма изготавливается длякакого-то определенного состояния объекта. При просвечивании ее объект неудаляется и производится его повторное освещение, как на первом этапеголографирования. Тогда опять получается две волны, одна формируетголографическое изображение, а другая распространяется от самого объекта. Еслитеперь происходят какие-то изменения в состоянии объекта (в двухпоследовательных волнах возникает разность сравнения с тем, что было во времяэкспонирования голограммы), то между указанными хода, и изображение покрываетсяинтерференционными полосами.
Описанный способприменяется для исследования деформаций предметов, их вибраций, поступательногодвижения и вращений, неоднородности прозрачных объектов и т. п. Интерференционнаякартина наглядно свидетельствует о различии деформаций, напряжений в теле,крутильные моменты, распределение температур и т. д. Голография можетприменяться для обеспечения точности обработки деталей.
2.4ЛАЗЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ – СРЕДСТВО ЗАПИСИ И ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ
В настоящее времялазерные технологии активно используются как средство записи и обработкибольших объёмов информации. И здесь следует отметить появление принципиальнонового вида носителя информации — компакт-диска. Как мы знаем, в аудио- ивидеокассетах, которые до недавнего времени были, пожалуй, самымраспространённым средством сохранения данных, использовались магнитные явления.В компакт-диске же применён другой подход. Сам диск (CD-ROM) представляет собойпластину круглой формы, на одной стороне которого нанесена маркировка диска.Другая же сторона является рабочей и на первый взгляд она абсолютно гладкая.Однако, это не так, так как если бы это было так, то ни о каком сохраненииинформации не могло бы идти и речи. Внутри специального устройства рабочаяповерхность диска как бы сканируется лазерным лучом небольшой мощности (какправило 0,14 мВт при длине волны 790 нм.). При таком сканировании определяется,что находится внутри пятна лазерного луча — углубление или нет? Не вдаваясь вкомпьютерную технику можно только сказать, что наличие углубления соответствуетлогической единице, а во всех компьютерных технологиях используются только двасостояния — НОЛЬ и ЕДИНИЦА. Далее используя специальные таблицы можнорасшифровать последовательность этих нулей и единиц и получить исходнуюинформацию. Запись таких дисков производится также при помощи лазеров, но здесьречь идёт о гораздо большей мощности лазера. Благодаря тому, что выжиганиепитов (канавок) на поверхности диска производится при помощи лазера, можнодостичь очень большой плотности записи информации, так как диаметр лазерноголуча, а, следовательно, и пита очень мал.
Интересно применениеголографии в качестве носителя информации. Часто необходимо получить объемноеизображение предмета, которого еще не существует, и, следовательно, нельзяполучить голограмму такого предмета оптическими методами. В этом случаеголограмма рассчитывается на ЭВМ (цифровая голограмма) и результаты расчетасоответствующим образом переносятся на фотопластинку. С полученной такимспособом машинной голограммы объемное изображение предмета восстанавливаетсяобычным оптическим способам. Поверхность предмета, полученного по машиннойголограмме, используется как эталон, с которым методами голографической интерференциипроизводится сравнение поверхности реального предмета, изготовляемогосоответствующими инструментами. Голографическая интерферометрия позволяетпроизвести сравнение поверхности изготовленного предмета и эталона счрезвычайно большой точностью до долей длины волны. Это дает возможностьизготовлять с такой же большой точностью очень сложные поверхности, которыебыло бы невозможно изготовить без применения цифровой голографии и методовголографической интерферометрии. Само собой разумеется, что для сравненияэталонной поверхности с изготовляемой не обязательно восстанавливать оптическимспособом машинную голограмму. Можно снять голограмму предмета, перевести ее нацифровой язык ЭВМ и сравнить с цифровой голограммой. Оба эти пути в принципеэквивалентны. Особенности голограмм как носителей информации делают весьмаперспективными разработки по созданию голографической памяти, котораяхарактеризуется большим объемом, надежностью, быстротой считывания и т. д.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Лазер – один из мощнейшихинструментов сегодняшней науки. Не возможно перечислить все области егоприменения, так как каждый день для лазера находятся новые задачи.
В настоящей работе былирассмотрены основные виды лазеров и их принцип работы. Были также охваченыосновные сферы применения, а именно: промышленность, медицина, информационныетехнологии, наука.
Такие разнообразныезадачи могут выполняться с помощью лазера благодаря его свойствам.Когерентность, монохроматичность, высокая энергетическая плотность позволяют решатьсложные технологические операции.
Лазер – инструментбудущего, уже прочно вошедший в нашу жизнь.
СПИСОКЛИТЕРАТУРЫ
1.Айден К. Аппаратные средства PC: перевод с нем. — Санкт-Петербург.: BHV- СПб, 1996. — 544 с.
2.Китайгородский А. И. Физика для всех: Фотоны и ядра. — М.:Наука, 1982- 208 с.
3.Ландсберг Г. С. Оптика. — М.: Наука, 1976. — 928 с.
4.Ландсберг Г. С. Элементарный учебник физики. — М.: Наука,1986. — Т.3.- 656 с.
5.Матвеев А. Н. Оптика. — М.: Высшая школа, 1985. — 351 с.
6.Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б. Физика. — М.: Просвещение,1998. — 254 с.
7.Сивухин В. А. Общий курс физики. Оптика. — М.: Наука, 1980. — 752 с.
8.Тарасов Л. В. Лазеры. Действительность и надежды. — М. Наука,1985. -176 с.