Презентация по теме техническое применение лазеров. Лазеры

Что такое лазер? ЛАЗЕР (оптический квантовый генератор) – устройство, преобразующее энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения. Слово « лазер » – аббревиатура слов английской фразы «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation» – усиление света вынужденным излучением.

Краткая история появления лазера 1916 г. - А. Эйнштейн предсказывает существование явления вынужденного излучения физической основы работы любого лазера г. – теоретическое обоснование этого явления П. Дираком г. – экспериментальное подтверждение явления вынужденного излучения Р. Ладенбургом и Г. Копферманном г. – первый микроволновый генератор (мазер на аммиаке), создатели Ч. Таунс и независимо от него А. Прохоров и Н. Басов г. - Т. Мейман продемонстрировал работу первого оптического квантового генератора лазера. В последующие годы происходит бурное развитие, и изобретаются все новые и новые виды лазеров (химические, полупроводниковые, лазеры на красителях и другие).

Учитель физики высшей категории
Сарандаева Валентина Николаевна

Ла́зер (англ. laser , акроним от англ. light amplification by stimulated emission of radiation - усиление света посредством вынужденного излучения)

Лазер (лаборатория NASA).

Лазер (красный, зеленый, синий).

Физической основой работы лазера служит квантовомеханическое явление вынужденного (индуцированного) излучения. Волоконный лазер - лазер, резонатор которого построен на базе оптического волокна, внутри которого полностью или частично генерируется излучение. Другие виды лазеров, развитие принципов которых на данный момент является приоритетной задачей исследований (рентгеновские лазеры, гамма-лазеры и др.).

Военно-морской лазер, прожигающий 600-метровый слой стали.

Боевой рентгеновский лазер на орбите.

Использование лазеров

Лазерное сопровождение музыкальных представлений (лазерное шоу)

считыватели штрих-кодов

лазерные указки

В промышленности лазеры используются для резки, сварки и пайки деталей из различных материалов.

Высокая температура излучения позволяет сваривать материалы, которые невозможно сварить обычными способами (к примеру, керамику и металл).

Резка металлов Лазеры используются для получения поверхностных покрытий материалов (лазерное легирование, лазерная наплавка, вакуумно-лазерное напыление) с целью повышения их износостойкости. Широкое применение получила также лазерная маркировка промышленных образцов и гравировка изделий из различных материалов

Лазерная промышленная маркировка: идентификация промышленной продукции

Гравировка на ювелирных изделиях

Полупроводниковый лазер, применяемый в узле генерации изображения принтера Hewlett-Packard Лазеры применяются в голографии для создания самих голограмм и получения голографического объёмного изображения. С использованием лазера удалось измерить расстояние до Луны с точностью до нескольких сантиметров.

Оптико – лазерный телескоп

Лазерная локация космических объектов уточнила значения ряда фундаментальных астрономических постоянных и способствовала уточнению параметров космической навигации, расширила представления о строении атмосферы и поверхности планет Солнечной системы Сверхкороткие импульсы лазерного излучения используются в лазерной химии для запуска и анализа химических реакций. Здесь лазерное излучение позволяет обеспечить точную локализацию, дозированность, абсолютную стерильность и высокую скорость ввода энергии в систему

Лазерная химия - раздел физической химии, изучающий химические процессы, которые возникают под действием лазерного излучения и в которых специфические свойства лазерного излучения

Лазеры используются и в военных целях, например, в качестве средств наведения и прицеливания.

Рассматриваются варианты создания на основе мощных лазеров боевых систем защиты воздушного, морского и наземного базирования

Револьвер , оснащённый лазерным целеуказателем

Противоракетный твердотельный лазер

В медицине лазеры применяются как бескровные скальпели, используются при лечении офтальмологических заболеваний (катаракта, отслоение сетчатки, лазерная коррекция зрения и др.). Широкое применение получили также в косметологии (лазерная эпиляция, лечение сосудистых и пигментных дефектов кожи, лазерный пилинг, удаление татуировок и пигментных пятен)

установка для удаления татуировок

В настоящее время бурно развивается так называемая лазерная связь .

Известно, что чем выше несущая частота канала связи, тем больше его пропускная способность. Поэтому радиосвязь стремится переходить на всё более короткие длины волн. Длина световой волны в среднем на шесть порядков меньше длины волны радиодиапазона, поэтому посредством лазерного излучения возможна передача гораздо большего объёма информации. Лазерная связь осуществляется как по открытым, так и по закрытым световодным структурам, например, по оптическому волокну. Свет за счёт явления полного внутреннего отражения может распространяться по нему на большие расстояния, практически не ослабевая

Восьмилучевой лазерный приемопередатчик для атмосферной оптической связи. Скорость передачи - до 1 Gbit/с на расстоянии около 2 км. Диск в центре - приемник, малые диски - передатчики, сверху - окно оптического монокуляра для выставления двух блоков по общему лучу зрения.

Для изучения взаимодействия лазерного излучения с веществом и получения управляемого термоядерного синтеза строят большие лазерные комплексы, мощность которых может превосходить 1 ПВт.

Вот так выглядят сами лазеры.

Ученика Абалуева Егора 11 «б»

Оптические квантовые генераторы, излучение которых лежит в видимой и инфракрасной области спектра, называются лазерами.

Лазер – это устройство, в котором энергия, например тепловая, химическая, электрическая, преобразуется в энергию электромагнитного поля – лазерный луч

В возбуждённом состоянии атом находится около 10 -8 с, после чего самопроизвольно (спонтанно) переходит в основное состояние, излучая при этом квант света.

Спонтанное излучение происходит при отсутствии внешнего воздействия на атом и объясняется неустойчивостью его возбуждённого состояния.

Если же атом подвергается внешнему воздействию, то время его жизни в возбуждённом состоянии сокращается, а излучение уже будет вынужденным или индуцированным. Понятие о вынужденном излучении было введено в 1916 г А. Эйнштейном.

Под индуцированным излучением понимается излучение возбужденных атомов под действием падающего света Индуцированное излучение.

1940 г. В. А. Фабрикант (возможность использования явления вынужденного излучения) 1954 г. Н. Г. Басов, А. М. Прохоров и Ч. Таунс (создание микроволнового генератора) 1963 г. Н. Г. Басов, А. М. Прохоров и Ч. Таунс были удостоены Нобелевской премии История изобретения лазера.

Направленность Монохроматичность Когерентность Интенсивность Свойства лазерного излучения.

При работе лазера часто используется система трёх энергетических уровней атома, второе из которых – метастабильное со временем жизни атома в нём до 10 -3 с.

Трехуровневая схема оптической накачки Указаны «времена жизни» уровней E2 и E3. Уровень E2 – метастабильный. Переход между уровнями E3 и E2 безызлучательный. Лазерный переход осуществляется между уровнями E2 и E1.

Ла́зер обычно состоит из трёх основных элементов: * Источник энергии (механизм «накачки») * Рабочее тело; * Система зеркал («оптический резонатор»).

Основная деталь рубинового лазера – рубиновый стержень. Рубин состоит из атомов Al и O с примесью атомов Cr . Именно атомы хрома придают рубину цвет и имеют метастабильное состояние.

Лазеры способны создавать пучки света с очень малым углом расхождения. Все фотоны лазерного излучения имеют одинаковую частоту (монохроматичность) и одно и то же направление (согласованность). Лазеры являются мощными источниками света (до 10 9 Вт, т.е. больше мощности крупной электростанции).

Обработка материалов (резание, сварка, сверление); В хирургии вместо скальпеля; В офтальмологии; Голография; Связь с помощью волоконной оптики; Лазерная локация; Использование лазерного луча в качестве носителя информации.

ЛАЗЕР (оптический квантовый генератор) – устройство,
генерирующее
когерентные
и
монохроматические
электромагнитные волны видимого диапазона за счет
вынужденного испускания или рассеивания света атомами
(ионами, молекулами) активной среды.
Слово «лазер» – аббревиатура слов английской фразы «Light
Amplification by Stimulated Emission of Radiation» – усиление
света вынужденным излучением. Рассмотрим эти понятия
подробнее.

Применение лазера
Уникальные свойства лазерного излучения сделали квантовые генераторы
незаменимым инструментом в самых разных областях науки и техники.
Например:
1.
2.
3.
4.
5.
Технические лазеры
Лазерная связь
Лазеры в медицине
Лазеры в научных исследованиях
Военные лазеры

Технические лазеры

Мощные лазеры непрерывного действия применяются для
резки, сварки и пайки деталей из различных материалов.
Высокая температура излучения позволяет сваривать
материалы, которые иными методами соединить нельзя
(например, металл с керамикой). Высокая монохроматичность
излучения позволяет сфокусировать луч в точку диаметром
порядка микрона.

Технические лазеры

Идеально прямой лазерный луч служит удобной «линейкой».
В геодезии и строительстве импульсные лазеры применяют
для измерения расстояний на местности, рассчитывая их по
времени движения светового импульса между двумя точками.
Точные измерения в промышленности производят при
помощи интерференции лазерных лучей, отраженных от
концевых поверхностей изделия.

Лазерная связь

Появление лазеров произвело переворот в технике связи и записи
информации. Существует простая закономерность: чем выше несущая
частота (меньше длина волны) канала связи, тем больше его
пропускная способность. Именно поэтому радиосвязь, вначале
освоившая диапазон длинных волн, постепенно переходила на все
более короткие длины волн. По лазерному лучу можно передать в
десятки тысяч раз больше информации, чем по высокочастотному
радиоканалу. Лазерная связь осуществляется по оптическому волокну
– тонким стеклянным нитям, свет в которых за счет полного
внутреннего отражения распространяется практически без потерь на
многие сотни километров. Лазерным лучом записывают и
воспроизводят изображение (в том числе движущееся) и звук на
компакт-дисках.

Лазеры в медицине

Лазерная техника широко применяется и в
хирургии, и в терапии. Лазерным лучом,
введенным
через
глазной
зрачок,
«приваривают» отслоившуюся сетчатку и
исправляют дефекты глазного
дна.
Хирургические операции, производимые
«лазерным
скальпелем»
меньше
травмируют живые ткани. А лазерное
излучение малой мощности ускоряет
заживление ран и оказывает воздействие,
аналогичное
иглоукалыванию,
практикуемому восточной медициной
(лазерная акупунктура).

Научные исследования

Чрезвычайно высокая температура излучения и высокая плотность его
энергии дает возможность исследовать вещество в экстремальном
состоянии, существующем только в недрах горячих звезд. Делаются
попытки осуществить термоядерную реакцию, сжимая ампулу со смесью
дейтерия с тритием системой лазерных лучей (т.н. инерционный
термоядерный синтез). В генной инженерии и нанотехнологии
(технологии, имеющей дело с объектами с характерными размерами 10–9
м) лазерными лучами разрезают, передвигают и соединяют фрагменты
генов, биологических молекул и детали размером порядка миллионной
доли миллиметра (10–9 м). Лазерные локаторы (лидары) применяются для
исследования атмосферы.

Слайд 2

Что такое лазер?

Ла́зер (усиление света посредством вынужденного излучения) Лазер - источник электромагнитного излучения видимого, инфракрасного и ультрафиолетового диапазонов, основанный на вынужденном излучении атомов и молекул Лазер - источник света. По сравнению с другими источниками света лазер обладает рядом уникальных свойств, связанных с когерентностью и высокой направленностью его излучения

Слайд 3

Создание лазера

Создание Лазера (1960) и несколько ранее мазера(1955) послужило основой развития нового направления в физике и технике, называется квантовой электроникой. В 1964г. Советским физикам Н. Г. Басову, А. М. Прохорову и Американскому физику Ч. Таунсу за работы в области квантовой электроники присуждена Нобелевская премия по физике. Тем временем в лаборатории Николая Геннадьевича Басова разрабатываются мощные лазеры на кристаллах рубина и неодимовом стекле, создается мощный фотодиссоционный йодный лазер наносекундных импульсов. В 1968 году в лаборатории были получены первые нейтроны при лазерном облучении мишеней из дейтерированного лития. Результаты экспериментов послужили мощным стимулом для дальнейшего развития работ по лазерному термоядерному синтезу.

Слайд 4

Николай Геннадьевич Басов Александр Михайлович Прохоров

Слайд 5

Устройство лазера

Устройство лазера На схеме обозначены: 1 - активная среда; 2 - энергия накачки лазера; 3 - непрозрачное зеркало; 4 - полупрозрачное зеркало; 5 - лазерный луч. Все лазеры состоят из трёх основных частей: активной (рабочей) среды; системы накачки (источник энергии); оптического резонатора (может отсутствовать, если лазер работает в режиме усилителя). Каждая из них обеспечивает для работы лазера выполнение своих определённых функций.

Слайд 6

Лазер – это устройство, которое вырабатывает лазерное излучение. Лазерное излучение имеет большую мощность, чем обычный свет, потому что все его лучи имеют одинаковую длину волны и движутся вместе. Благодаря этому лазерные лучи можно сфокусировать, превратив с высокой точностью в узкий пучок. (Лучи обычного света состоят из нескольких длин волн, которые, выходя из источника света, распространяются во всех направлениях.) Лазерный луч можно сфокусировать на такой маленькой площади, что он будет способен сделать 200 отверстий на булавочной головке!

Слайд 7

Виды лазеров

Лазеры бывают: Газовые (аргоновые, гелий-неоновые, на монооксиде углерода и углекислом газе, эксимерные). Твердотельные (александритовые, рубиновые, кристаллические с иттербиевым легированием, алюмо-иттриевые, титан-сапфировые, микрочиповые). Полупроводниковые лазерные диоды (в указках, принтерах, CD/DVD).

Слайд 8

Применение лазеров

Слайд 9

С помощью лазерных технологий стала возможна сварка, резка, сверление, закалка материалов без появления в них внутреннего напряжения, чего невозможно было достигнуть при механической обработке. Точность такой обработки достигает буквально микрометра, и лазеру без разницы, что именно он обрабатывает – металл или алмаз. В микроэлектронике предпочтительней не пайка соединений, а сварка, и луч лазера отлично справляется со своей задачей. Также существует лазерное охлаждение и намагничивание. Излучатель еще очень успешно применяют в термоядерном синтезе.

Слайд 10

Сегодня лазер незаменим также и в медицине. Он применяется в хирургии, офтальмологии, гинекологии, онкологии и косметической хирургии. Например, при операциях на глазном яблоке лазер способен приваривать отслоившуюся сетчатку не травмируя сам глаз. Лазер может выжигать как доброкачественные, так и злокачественные опухоли. Также его успешно используют в стоматологии для отбеливания зубов и бескровной имплантации. И очень радует перспектива использования луча для остановки кровотечений у людей с малой свертываемостью крови. Астрономия с помощью лазера также смогла вынести на совершенно иной уровень качество своих исследований. Так, например, с помощью рубиновых лазеров ученые смогли более точно определять расстояние от Земли до других космических тел. Точность картографирования поверхности планет теперь составляет до 1,5 м. А с помощью полупроводниковых лазеров осуществляется связь со спутниками.

Слайд 11

Слайд 12

Незаменим лазер при геодезических измерениях, а также при регистрации сейсмической активности коры Земли. В геофизике с высокой точностью определяют высоту облаков, исследуют такие явления, как турбулентность и инверсионные следыСлайд 16

Лазеры окружают нас и в повседневной жизни. С их помощью мы прослушиваем компакт-диски, записываем данные, распечатываем информацию на принтерах. Кассиры в супермаркетах лазером считывают штрих-коды с продукции. С его помощью добавляют субтитры на экран, с лазерными указками преподаватели объясняют материал. А молодежь вечером восхищается на дискотеке феерическими лазерными шоу.

Посмотреть все слайды