Курсовая работа по дисциплине «Теоретические основы прогрессивных технологий» Тема: «Лазерное излучение и его применение»

скачать ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» (ГОУВПО «ВГТУ») ВЕЧЕРНЕГО И ЗАОЧНОГО ОБУЧЕНИЯ факультет Кафедра оборудования и технологии сварочного производства КУРСОВАЯ РАБОТА по дисциплине «Теоретические основы прогрессивных технологий» Тема: «Лазерное излучение и его применение» Выполнил студент группы ЭК-091 ______________ Бородкин А.Н. Подпись, дата Руководитель ______________ Селиванов В.Ф. Подпись, дата Члены комиссии ___________________________ Подпись, дата ___________________________ Подпись, дата Нормоконтроллер ___________________________ Подпись, дата Защищена________________ Оценка_____________________ Дата 2010 План. Введение. 3 1.Свойства лазерного излучения. 8 2. Принцип действия лазера. 3. Классификация лазеров. 4. Характеристики лазерного излучения. 5. Виды лазеров. 5.1 Твердотельный лазер. 5.2 Газовый лазер. 5.4 Полупроводниковый лазер. 5.5 Химический лазер. 5.6 Ультрафиолетовый лазер. 5.7 Лазер на свободных электронах. 5.8 Лазер на иттрий-алюминиевом гранате (ИАГ). 5.9 Апротонный жидкостный лазер. 5.10 Лазер на парах меди. 5.11 Газодинамический лазер. 6. Применение лазеров. 6.1 Лазеры в медицине. 6.2 Лазеры в информационных технологиях. 6.3 Применение лазеров в военном деле. 6.4 Лазеры в промышленности. Обработка материалов и сварка. Заключение. Введение. В 1964 г. на церемонии вручения Нобелевской премии в Стокгольме акад. А. М. Прохоров сказал: «Квантовая электроника возникла в конце 1954 и начале 1955 г., фундаментом квантовой электроники сле­дует считать явление индуцированного излучения, предсказанное А. Эйнштейном в 1917 г.». Сущность этого явления заключается в том, что возбужденные ато­мы под воздействием внешнего излучения переходят в состояние с меньшей энергией, излучая при этом электромагнитные волны. Однако только много лет спустя появилась мысль использовать это явление практически. В авторском свидетельстве СССР № 123209 от 18.06.51 г., выданном В. А. Фабриканту и его сотрудникам, записано: «Способ усиления электромагнитных излучений (ультрафиолетового, видимого, инфракрасного и радио диапазонов волн), отличающийся тем, что усиливаемое излучение пропускают через среду, в которой с по­мощью вспомогательного излучения или другим путем создают избы­точную по сравнению с равновесной концентрацию атомов других частиц или их систем на верхних энергетических уровнях, соответст­вующих возбужденным состояниям». Эта формулировка практически охватывает все, что можно представить себе под термином «кванто­вое усиление». Явление вынужденного излучения легло в основу современной кван­товой электроники и лазерной техники. Несколько позднее (1953 г.) Дж. Вебером был предложен квантовый усилитель. В 1956 г. Н. Бломберген теоретически разработал вопрос о парамаг­нитном твердотельном усилителе по схеме трех уровней, а в 1957 г. Г. Сковил построил такой усилитель. Однако все квантовые устройст­ва, разработанные к 1960 г., охватывали СВЧ-диапазон радиоволн и назывались мазерами. Первый молекулярный генератор (мазер) был разработан в 1954 г. в Физическом институте АН СССР им. П. Н. Лебедева в Москве Н. Г. Басовым, А. М. Прохоровым и одновременно и независимо Ч. Таунсом, Д. Гордоном и X. Цайгером в Колумбийском универси­тете в Нью-Йорке. Это событие официально принято считать началом становления квантовой электроники как науки. Теория мазера была развита Н. Г. Басовым, А. М. Прохоровым и оказала значительное влияние на последующие работы в этой области Следующий этап развития квантовой электроники связан с перене­сением ее принципов в оптический диапазон электромагнитных волн. В 1958 г. Ч. Таунс, А. Л. Шавлов и А. М. Прохоров показали возможность использования явлении вынужденного усиления в поле опти­ческих излучений. О значении, которое придается этим исследованиям, можно судить по тем фактам, что в 1959 г. советским ученым Н. Г. Ба­сову и А. М. Прохорову была присуждена Ленинская премия, а в 1964 г. они же и американский ученый Ч. Таунс удостоились присуждения Нобелевской премии по физике и за фундаментальные труды в области квантовой электроники. Первый действующий лазер на рубиновом стержне был создан Т. Майманом в 1960 г., а 13.06.61 г. ему был выдан патент № 3353115. Это открытие дало толчок бурному развитию лазерной техники. Эле­менты лазера Маймана лежат в основе всех современных лазеров. Про­роческими оказались и его слова, что когда будет решена задача уп­равления лучом лазеров и обеспечен приемлемый к. п. д., применения лазеров будут ограничены лишь воображением и изобретательностью инженеров. А. Джаван построил первый газовый лазер, работающий на смеси неона и гелия, в котором инфракрасное когерентное излучение испус­кали атомы неона. На основании спектроскопических исследований он предположил, что электрический разряд в смеси неона и гелия должен создать инверсии населенностей уровней, и, несмотря на скептицизм ученых, знакомых с его работой, упорно искал экспериментальное подтверждение лазерного эффекта в газах. В конце 1960 г. его усилия увенчались успехом. Создание первых лазеров ускорило развитие новой области физи­ки — нелинейной оптики, изучающей нелинейные оптические эффекты при воздействии на среды мощного вынужденного излучения. Значи­тельный вклад в исследование нелинейных оптических явлений внесли ученые-физики С. И. Вавилов, С. А. Ахманов, Г. С. Горелик, Р. В. Хохлов, Н. Бломберген, Д. Джордмэйн, Р. Терхьюн и др. После получения излучения в видимой области на длине волны Я0 = = 0,6328 мкм генерация была получена более чем на 460 различных переходах между уровнями нейтральных атомов 34 химических эле­ментов. Первый молекулярный лазер был создан Р. Пателем в 1964 г. Этот лазер имел к. п. д. примерно 10 % и значительную мощность (около 10 Вт). Разработке первого полупроводникового инжекционного лазе­ра на арсениде галлия (Р. Холл, 1962 г.) предшествовали теоретиче­ские исследования полупроводниковых монокристаллов, выполненные Н. Г. Басовым, Б. М. Вулом и Ю. М. Поповым (1958—1961 гг.). По­следующие два года были насыщены техническими усовершенствования­ми и изобретениями, направленными главным образом на увеличение мощности, компактности, долговечности лазеров. С этого момента началось практическое использование лазерного излучения. В многочисленных практических применениях и приборах лазерный луч можно рассматривать как оптический сигнал с уникаль­ными свойствами. Среди приборов с использованием лазеров следует назвать прежде всего лазерные дальномеры и измерители скорости,, квантовые гироскопы, голографические приборы. Честь изобретения и создания в 1934—1936 гг. первого светодальномера, прибора для измерения расстояния по времени прохождения его световыми волнами, принадлежит акад. А. А. Лебедеву. Появление лазеров позволило создать более помехозащищенные прецизионные системы измерения расстояния. Первым в дальномерах был применен полупроводниковый лазер на арсениде галлия с модулированным излу­чением. В 1913 г. французский физик М. Саньяк, проводя опыты с целью проверки гипотезы ньютоновского «эфира», открыл вихревой оптичес­кий эффект. Суть его состоит в получении частоты сдвига бегущей ин­терференционной картины в результате сложения направленных на­встречу друг другу излучений от источника, размещенного на вращаю­щемся основании. В 1962 г. А. Розенталь и У. Мапек предложили для измерения скорости вращения Земли использовать датчик угловой ско­рости, основанный на эффекте Саньяка, с лазером в качестве источни­ка бегущей волны. Это была принципиальная схема квантового гиро­скопа. В 1948 г. Д. Габор, занимаясь улучшением качества изображения в электронных микроскопах, открыл новый метод восстановления амп­литуды и фазы световых волн. Восстановление цветных трехмерных изображений, дающих полное ощущение объемности,— одна из самых ярких и чудесных возможностей голографии. Можно с уверенностью сказать, что свое второе рождение голография получила в 1962—1963 гг., когда и Ю. Н. Денисюк (СССР), и Э. Лейт, Ю. Упатниекс (США) применили для нее лазеры и методы лазерной техники. Современный этап в развитии квантовой электроники и лазерной техники характеризуется внедрением лазерной технологии в промыш­ленное производство, исследованиями лазерного термоядерного син­теза и разработкой устройств когерентной и интегральной оптики. Интегрально-оптические устройства генерации, распространения, уси­ления, преобразования и детектирования лазерного излучения в тон­копленочных волноводных структурах — реальность сегодняшнего дня. Квантовые приборы, устройства и системы в основном можно класси­фицировать следующим образом: квантовые стандарты длины, частоты и времени; квантовые усилители оптического (лазерные усилители) и СВЧ-диапазона длин волн (молекулярные, парамагнитные и т. д.); лазеры; преобразователи частоты лазерного излучения; лазерные модуляционные устройства; лазерные системы (лидары, гирометры, лазерные доплеровские из­мерители угловой скорости, системы оптической связи, вычислители и т. д.); лазерные технологические методы и оборудование для обработки материалов, запись и отображение информации, лазерные интеграль­но-оптические устройства и т. д. Наиболее обширным классом квантовых приборов являются лазеры, которые в основном классифицируют по трем признакам: ре­жиму работы, типу активной среды и способу накачки. По режиму работы лазеры делят на генераторы непрерывного из­лучения (одно-, многомодовые и одночастотные) и лазеры импульсного излучения (режимы свободной генерации, модуляции добротности ре­зонатора и моноимпульсный). В качестве активных элементов для лазеров в настоящее время ис­пользуют множество веществ. По активной среде лазеры разделяются на четыре группы: твердотельные лазеры (на активированных стеклах, ионных кристаллах, флюоритах, активированных редкоземельными элементами), газовые лазеры (атомарные, молекулярные, газодинами­ческие, ионные, на парах металлов, химические, плазменные и т. д.), жидкостные лазеры (на растворе неорганических соединений, органи­ческих соединений), полупроводниковые лазеры (инжекционные, гетероструктурные, с распределенной обратной связью и т. д.). Для создания инверсии населенностей в активной среде применяют различные методы возбуждения (накачки). По этому признаку лазеры разделяются на лазеры с оптической накачкой, лазеры с химической накачкой, газоразрядные лазеры, лазеры с электронной накачкой, на­качкой рентгеновскими лучами, плазменным шнуром, ядерной накачкой т. д. На сегодняшний день лазеры являются неотъемлемой частью нашей жизни. Вот небольшой пример применения лазеров. По данным фирмы Gartner Dataquest в апреле 2002 года был продан миллиардный персональный компьютер (ПК) и уже в 2007 году была пройдена вторая миллиардная отметка. Таким образом, если продажа первого миллиарда ПК заняла 21 год, то второго – всего 5 и, судя по темпам роста развивающихся рынков, их потребление нарастает. Соответственно, увеличивается и производство ПК, делая их одним из самых продаваемых и доходных в мире высокотехнологических продуктов. Очевидно, что с точно такой же, а может быть и несколько большей, скоростью растет и потребление деталей и элементов ПК. Современный компьютер, его технические параметры определяются в первую очередь возможностями его электронных систем. В состав каждого современного компьютера входит несколько электронных интегральных микросхем, которые в современном исполнении чаще всего представляют собой не что иное как полупроводниковый кристалл (например, кремния, германия, арсенида галлия) или пленку, в которых выполнены все элементы и межэлементные соединения этих схем. От качества обработки полупроводниковых подложек и от точности изготовления микроэлементов зависят технические параметры ПК, включая их быстродействие, а от производительности технологии – конкурентоспособность производителя. Уже много лет при изготовлении микросхем используются, в основном, литографические процессы. Наиболее известные из них – электронно-лучевая литография и фотолитография. Для изделий сложной структуры с элементами очень малого размера (в основном, в микроэлектронике) сегодня основным методом является фотолитография (ФОТОЛИТОГРАФИЯ - способ формирования рельефного покрытия заданной конфигурации с помощью лазера). Так же практически в каждом компьютере имеется дисковод DVD-ROM/R/RW, DVD-RAM, который предназначен для считывания или записи данных с CD/DVD накопителей. Данные с диска читаются при помощи лазерного луча с длиной волны 780 нм. 1.Свойства лазерного излучения. Свет - электромагнитное излучение, испускаемое нагретым или находящимся в возбуждённом состоянии веществом, воспринимаемое человеческим глазом. Под светом понимают не только видимый свет (с длиной волны λ ≈ 380—760 нм), но и примыкающие к нему широкие области спектра. В физике рассматривается либо как электромагнитная волна, скорость распространения в вакууме которой постоянна, либо как поток фотонов: частиц, обладающих определённой энергией и нулевой массой покоя. Характеристики света: цвет, определяемый длиной волны; яркость — поток, посылаемый в данном направлении единицей видимой поверхности в единичном телесном угле; освещённость — физическая величина, численно равная световому потоку, падающему на единицу поверхности; световая отдача (для источников света). Излучение обычных источников света происходит за счет электрон­ных переходов в атомах, молекулах и комплексных средах, например в твердых телах, или за счет вращательно-колебательных переходов в сложных молекулах (углеводороды, красители). Излучение лазера отличается от излучения обычных источников света следующими характеристиками: высокой спектральной плотностью энергии; монохроматичностью; высокой временной и пространственной когерентностью; высокой стабильностью интенсивности лазерного излучения в ста­ционарном режиме: возможностью генерации очень коротких световых импульсов. Спектральная плотность излучения — характеристика спектра излучения, равная отношению интенсивности (плотности потока) излучения в узком частотном интервале к величине этого интервала. Монохроматическое излучение (от греч. μόνο — один, χρώμα — цвет) — электромагнитное излучение, обладающее очень малым разбросом частот, в идеале — одной длиной волны. Когерентность (от лат. Cohaerens - находящийся в связи) - коррелированное протекание во времени и в пространстве нескольких случайных колебательных или волновых процессов, позволяющее получить при их сложении чёткую интерференционную картину. Первоначально понятие когерентности возникло в оптике, однако оно относится к волновым полям любой природы: электромагнитным волнам произвольного диапазона, упругим волнам, волнам в плазме, квантовомеханическим волнам амплитуды вероятностей и т.д. Когерентность лазерного излучения - атомы (ионы, молекулы) активного вещества лазера испускают вынужденное излучение, вызванное пролетом постороннего фотона, «в такт», с одинаковыми фазами, равными фазе первичного, вынуждающего излучения. Итак, лазерное излучение – излучение с высокой энергией, малой расходимостью, одинаковым направлением, одинаковой частотой. Устройство, преобразующее энергию (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в лазерное излучение - называется оптическим квантовым генератором. 2. Принцип действия лазера. Физической основой действия лазера любого типа служит явление вынужденного, или индуцированного излучения, которое может происходить, если частица рабочей среды лазера (атом, молекула или ион) находится в возбуждённом состоянии, т.е. имеет избыток энергии по сравнению с энергией основного (нормального) состояния. Вынужденное излучение – это электромагнитное излучение (в частности, свет), испускаемое энергетически возбуждёнными частицами под воздействием внешнего излучения той же частоты, что и частота испускаемого излучения. Подобные явления описываются законами квантовой механики, при этом надо иметь в виду, что любое электромагнитное излучение состоит из квантов (порций), называемых также фотонами. Энергетические процессы, происходящие в рабочей среде лазера, можно представить следующим образом. Пусть среди допустимых состояний атома рабочей среды существуют два с разными значениями энергии Е1 и Е2>Е1, причём между ними возможен квантовый излучательный переход, рис. 1. Когда возбуждённый атом из состояния с энергией Е2 переходит в состояние с меньшей энергией Е1, то избыток энергии Е = Е2 – Е1 испускается в виде фотона с энергией h, где h – постоянная Планка,  – частота излучения. Из равенства ΔЕ = h следует, что испускаемый фотон имеет частоту  = ΔЕ/h. Квантовые переходы между уровнями Е2 и Е1 с испусканием фотонов могут происходить как самопроизвольно, так и под воздействием поля распространяющейся в среде электромагнитной (световой) волны с той же частотой . Возникающее в первом случае излучение называется спонтанным, или самопроизвольным; второй же случай отвечает вынужденному излучению, о котором говорилось выше. Вынужденное излучение когерентно с исходной волной, т.е. обе волны совпадают по частоте, фазе и направлению распространения, рис. 1а. При спонтанном излучении фотоны испускаются в произвольных направлениях и когерентность между волнами отсутствует, рис. 1б. Скачать 0,62 Mb. оставить комментарий страница 1/3 Бородкин А.Н Дата 07.09.2011 Размер 0,62 Mb. Тип Курсовая, Образовательные материалы