محتوای مقاله

لیزر(مولد کوانتومی نوری) - دستگاهی است که امواج الکترومغناطیسی منسجم و تک رنگ را در محدوده مرئی به دلیل انتشار تحریک شده یا پراکندگی نور توسط اتم ها (یون ها، مولکول ها) محیط فعال تولید می کند. کلمه "لیزر" مخفف عبارت انگلیسی "تقویت نور توسط انتشار تحریک شده تشعشع" - تقویت نور توسط تشعشعات تحریک شده است. بیایید این مفاهیم را با جزئیات بیشتری در نظر بگیریم.

مبانی نظریه تابش.

از قوانین مکانیک کوانتومی ( سانتی متر... مکانیک کوانتومی) نتیجه می شود که انرژی یک اتم فقط می تواند مقادیر کاملاً مشخصی داشته باشد. E 0 , E 1 , E 2 ,...E n ... که سطوح انرژی نامیده می شوند. پایین ترین سطح E 0 که در آن انرژی اتم حداقل است، اصلی نامیده می شود. بقیه سطوح با شروع از E 1 برانگیخته نامیده می شوند و مربوط به انرژی بالاتر اتم است. یک اتم با جذب انرژی از یکی از سطوح پایین تر به سطح بالاتر حرکت می کند، به عنوان مثال، هنگام تعامل با یک فوتون - کوانتومی از تابش الکترومغناطیسی. و هنگام عبور از یک سطح بالا به سطح پایین، اتم انرژی خود را به شکل فوتون از دست می دهد. در هر دو مورد، انرژی فوتون E = ساعت n برابر است با تفاوت بین سطوح اولیه و نهایی:

ساعت n mn = Eمتر - E n (1)

جایی که ساعت= 6.626176 · 10-34 J · s ثابت پلانک است، n فرکانس تابش است.

یک اتم در حالت برانگیخته ناپایدار است. دیر یا زود (به طور متوسط ​​در 10-8 ثانیه)، در یک لحظه تصادفی از زمان، به طور مستقل (خود به خود) به حالت پایه باز می گردد و یک موج الکترومغناطیسی - یک فوتون منتشر می کند. ماهیت تصادفی این انتقال منجر به این واقعیت می شود که همه اتم های یک ماده به طور غیر همزمان و مستقل از خود ساطع می کنند، فازها و جهت حرکت امواج الکترومغناطیسی ساطع شده توسط آنها هماهنگ نیست. منابع نور معمولی اینگونه کار می کنند - لامپ های رشته ای، لوله های تخلیه گاز، همان منبع نور خورشید و غیره. انتشار خود به خودی آنها نامنسجم است.

اما یک اتم همچنین می تواند یک فوتون را نه به طور خود به خود، بلکه تحت تأثیر یک موج الکترومغناطیسی ساطع کند، فرکانس آن نزدیک به فرکانس انتقال اتم است که با فرمول (1) تعیین می شود:

n 21 = (E 2 – E 1)/ساعت. (2)

چنین موج رزونانسی، همانطور که بود، اتم را "تکان می دهد" و آن را از سطح انرژی بالا به سطح پایین "تکان می دهد". یک انتقال اجباری رخ می دهد که در آن موج ساطع شده از اتم فرکانس، فاز و جهت انتشار مشابه موج اولیه دارد. این امواج منسجم هستند، وقتی به آنها اضافه می شوند، شدت تابش کل یا تعداد فوتون ها افزایش می یابد.

مفهوم تشعشعات تحریک شده معرفی شد، و خاصیت ویژه آن - انسجام - به طور نظری توسط A. Einstein در سال 1916 پیش‌بینی شد و توسط P. دیراک از دیدگاه مکانیک کوانتومی در سال‌های 1927-1930 به شدت اثبات شد.

معمولاً تعداد اتم ها در حالت پایه در یک ماده بسیار بیشتر از اتم های برانگیخته است. بنابراین، موج نوری که از یک ماده عبور می کند، انرژی خود را صرف تحریک اتم ها می کند. در این حالت، شدت تابش با رعایت قانون بوگر کاهش می یابد:

من l = من 0 e - kl , (3)

جایی که من 0 - شدت اولیه، من l شدت تابشی است که مسافت را طی کرده است لدر ماده ای با ضریب جذب ک... از معادله می توان دریافت که محیط نور را به شدت جذب می کند - طبق قانون نمایی.

ماده‌ای که در آن اتم‌های برانگیخته‌تر از اتم‌ها در حالت پایه وجود داشته باشد، فعال نامیده می‌شود. تعداد اتم ها در یک سطح معین E n جمعیت این سطح و وضعیت زمانی نامیده می شود E 2 > E 1 - جمعیت معکوس. اجازه دهید یک موج الکترومغناطیسی از ماده فعال عبور کند که فرکانس آن n = n 21 است. سپس به دلیل تابش در طول انتقال اجباری E 2 ® E 1 (که بسیار بیشتر از اعمال تصاحب است E 1® E 2) تقویت آن رخ خواهد داد. و از نقطه نظر مکانیک کوانتومی، این بدان معناست که هر فوتونی که از ماده عبور می کند، دقیقاً همان فوتون را ایجاد می کند. آنها با هم دو فوتون دیگر تولید می کنند، این چهار - هشت، و غیره - یک بهمن فوتون در ماده فعال ایجاد می شود. این پدیده منجر به قانون نمایی رشد شدت تابش می شود که مشابه قانون بوگر (3) اما با بهره کوانتومی نوشته شده است. آبجای - ک:

من l = من 0 e یک ل(4)

اما در عمل، چنین افزایش سریعی در تعداد فوتون ها رخ نمی دهد. در مواد واقعی همیشه عوامل زیادی وجود دارد که باعث از دست رفتن انرژی یک موج الکترومغناطیسی می شود (پراکندگی توسط ناهمگنی محیط، جذب توسط ناخالصی ها و غیره). در نتیجه، تنها با افزایش طول مسیر در یک محیط فعال به چند متر، می توان حداقل ده ها برابر یک موج را تقویت کرد که اجرای آن آسان نیست. اما راه دیگری وجود دارد: قرار دادن ماده فعال بین دو آینه موازی (در تشدید کننده). موجی که به طور مکرر در آنها منعکس می شود، مسافتی را طی می کند که برای تقویت زیاد کافی باشد، البته اگر تعداد اتم های برانگیخته زیاد باقی بماند، یعنی. جمعیت وارونه باقی خواهد ماند.

جمعیت معکوس را می توان با کمک یک منبع انرژی جداگانه انجام داد و حفظ کرد، که، همانطور که بود، ماده فعال را با آن "پمپ" می کند. چنین منبعی می تواند یک لامپ قدرتمند، تخلیه الکتریکی، واکنش شیمیایی و غیره باشد. علاوه بر این، لازم است اتم‌ها در یکی از سطوح انرژی بالا به اندازه کافی (البته در مقیاس فرآیندهای کوانتومی) باقی بمانند که حدود 50٪ از تعداد کل اتم‌های ماده را در آنجا جمع کنند. و برای این لازم است که حداقل سه سطح انرژی ذرات فعال (اتم یا یون) داشته باشیم.

طرح سه سطحی برای تولید تشعشع به شرح زیر عمل می کند. پمپاژ اتم ها را از سطح انرژی پایین تر منتقل می کند E 0 به بالا E 3. از آنجا به سطح فرود می آیند E 2، جایی که آنها می توانند برای مدت طولانی بدون گسیل خود به خودی فوتون ها بمانند (این سطح فراپایدار نامیده می شود). و تنها تحت تأثیر یک موج الکترومغناطیسی عبوری، اتم به سطح اصلی باز می گردد E 0، تابش تحریک شده با فرکانس ساطع می کند n = (E 2 – E 0)/ساعتمنسجم با موج اصلی

شرایط ایجاد جمعیت معکوس و تشخیص تجربی تشعشعات تحریک شده توسط فیزیکدان آلمانی R. Landenburg در سال 1928 و به طور مستقل توسط فیزیکدان روسی VA Fabrikant در سال 1939 فرموله شد. تشعشعات تحریک شده به شکل پالس های رادیویی کوتاه اولین بار توسط آمریکایی مشاهده شد. فیزیکدانان E. Parcell و R. Pound در سال 1950 در سال 1951 VA Fabrikant و همکارانش درخواست نویسنده ای را برای "روشی برای تقویت تشعشعات الکترومغناطیسی (فرابنفش، مرئی، فروسرخ، محدوده امواج رادیویی) با عبور تابش تقویت شده از طریق یک محیط ارائه کردند. با جمعیت معکوس." با این حال، این برنامه تنها در سال 1959 منتشر شد، و هیچ تاثیری بر پیشرفت کار بر روی ایجاد مولدهای کوانتومی نداشت. زیرا امکان اساسی ساخت آنها قبلاً در اوایل دهه 1950 به طور مستقل از یکدیگر در اتحاد جماهیر شوروی N.G. Basov با A.M. Prokhorov و در ایالات متحده آمریکا C. Towns با J. Weber شروع شد. و در سال 1954-1956، اولین ژنراتور کوانتومی محدوده رادیویی توسعه و ساخته شد. ل= 1.25 سانتی متر)، در سال 1960 - یک لیزر یاقوت و یک لیزر گاز، و دو سال بعد - یک لیزر نیمه هادی.

دستگاه لیزر.

علیرغم تنوع گسترده انواع رسانه های فعال و روش های بدست آوردن جمعیت معکوس، همه لیزرها دارای سه بخش اصلی هستند: یک محیط فعال، یک سیستم پمپاژ و یک حفره.

محیط فعال - ماده ای که در آن جمعیت معکوس ایجاد می شود - می تواند جامد (کریستال های گارنت یاقوت یا آلومینیوم-ایتریم، شیشه با ناخالصی نئودیمیم به شکل میله هایی با اندازه ها و اشکال مختلف)، مایع (محلول ها) باشد. از رنگ های آنیلین یا محلول های نمک های نئودیمیم در کووت ها) و گازی (مخلوطی از هلیوم با نئون، آرگون، دی اکسید کربن، بخار آب کم فشار در لوله های شیشه ای). مواد نیمه رسانا و پلاسمای سرد، محصولات واکنش شیمیایی نیز تابش لیزر تولید می کنند. بسته به نوع محیط فعال به لیزرها یاقوت، هلیوم-نئون، رنگ و غیره می گویند.

تشدید کننده یک جفت آینه موازی با یکدیگر است که یک محیط فعال بین آنها قرار می گیرد. یک آینه ("کسل") تمام نوری را که روی آن می افتد منعکس می کند. دوم، نیمه شفاف، بخشی از تابش برای اجرای تابش تحریک شده به محیط باز می گردد و بخشی به شکل پرتو لیزر به بیرون خروجی می شود. به عنوان یک آینه "ناشنوا"، اغلب از منشور بازتاب داخلی کل استفاده می شود. سانتی متر... OPTICS)، به عنوان شفاف - پشته ای از صفحات شیشه ای. علاوه بر این، با انتخاب فاصله بین آینه ها، می توان رزوناتور را به گونه ای تنظیم کرد که لیزر تنها از یک نوع کاملاً تعریف شده (به اصطلاح حالت) تابش ایجاد کند.

پمپاژ یک جمعیت معکوس در محیط فعال ایجاد می کند و راحت ترین و کارآمدترین روش پمپاژ برای هر محیط انتخاب می شود. در لیزرهای حالت جامد و مایع، از لامپ های فلاش یا لیزر استفاده می شود، رسانه های گازی با تخلیه الکتریکی و نیمه هادی ها با جریان الکتریکی تحریک می شوند.

پس از رسیدن به حالت وارونگی در عنصر فعال قرار گرفته در داخل حفره به دلیل پمپاژ، اتم های آن هر از گاهی شروع به پایین آمدن خود به خود به سطح زمین می کنند و فوتون ساطع می کنند. فوتون های ساطع شده با زاویه ای نسبت به محور تشدید کننده، زنجیره کوتاهی از گسیل های تحریک شده را در این جهت ها القا می کنند و به سرعت محیط فعال را ترک می کنند. و تنها فوتون‌هایی که در امتداد محور تشدیدگر حرکت می‌کنند و به طور مکرر در آینه‌ها منعکس می‌شوند، بهمنی از تابش منسجم تولید می‌کنند. در این حالت، فرکانس‌ها (حالت‌های تشعشعی) در موقعیتی سودمند قرار دارند که تعداد صحیحی از نیم‌موج‌های آن با تعداد صحیح بارها در طول تشدیدگر متناسب است.

انواع لیزر.

لیزرهای حالت جامد اولین محیط جامد فعال یاقوت بود - یک کریستال کوراندوم Al 2 O 3 با مخلوط کوچکی از یون های کروم Cr +++. این شیشه توسط T. Meiman (ایالات متحده آمریکا) در سال 1960 طراحی شد. شیشه با مخلوط نئودیمیم Nd، گارنت آلومینیوم ایتریم Y 2 Al 5 O 12 با مخلوطی از کروم، نئودیمیم و عناصر خاکی کمیاب به شکل میله نیز به طور گسترده استفاده می شود. . لیزرهای حالت جامد معمولاً توسط یک لامپ فلاش پمپ می شوند که حدود 10 تا 3 ثانیه چشمک می زند و طول پالس لیزر نصف آن می شود. بخشی از زمان صرف ایجاد یک جمعیت معکوس می شود و در پایان فلاش، شدت نور برای تحریک اتم ها کافی نیست و تولید متوقف می شود. پالس لیزر ساختار پیچیده ای دارد، از پیک های مجزای زیادی با مدت زمان حدود 10-6 ثانیه تشکیل شده است که با فواصل حدود 10-5 ثانیه از هم جدا می شوند. در این حالت به اصطلاح تولید آزاد، توان پالس می تواند به ده ها کیلووات برسد. از نظر فنی، افزایش توان به سادگی با تقویت نور پمپ و افزایش اندازه میله لیزر غیرممکن است. بنابراین قدرت پالس های لیزر با کاهش مدت زمان آنها افزایش می یابد. برای این کار، دریچه ای در مقابل یکی از آینه های حفره قرار می گیرد که از شروع لیزر جلوگیری می کند تا تقریباً تمام اتم های ماده فعال به سطح بالایی منتقل شوند. سپس شاتر برای مدت کوتاهی باز می شود و تمام انرژی انباشته شده به صورت یک پالس به اصطلاح غول پیکر نمایش داده می شود. بسته به ذخیره انرژی و مدت زمان فلاش، توان پالس می تواند از چندین مگاوات تا ده ها تراوات (10 12 وات) متغیر باشد.

لیزرهای گازی محیط فعال لیزرهای گازی گازهای کم فشار (از صدم تا چند میلی متر جیوه) یا مخلوط آنهاست که یک لوله شیشه ای را با الکترودهای لحیم شده پر می کند. اولین لیزر گازی مبتنی بر مخلوط هلیوم و نئون اندکی پس از لیزر روبی در سال 1960 توسط A. Javan، W. Bennett و D. Erriot (ایالات متحده آمریکا) ایجاد شد. لیزرهای گازی توسط یک تخلیه الکتریکی که توسط یک ژنراتور فرکانس بالا تامین می شود پمپ می شوند. آنها تابش را به همان روشی که در لیزرهای حالت جامد تولید می کنند، تولید می کنند، اما لیزرهای گازی، به عنوان یک قاعده، تابش مداوم می دهند. از آنجایی که چگالی گازها بسیار کم است، طول لوله با محیط فعال باید به اندازه ای باشد که جرم ماده فعال برای به دست آوردن شدت تابش بالا کافی باشد.

لیزرهای گازی همچنین شامل لیزرهای گاز دینامیک، شیمیایی و اکسایمر (لیزرهایی که بر روی انتقال الکترونیکی مولکول‌ها کار می‌کنند که فقط در حالت برانگیخته وجود دارند) می‌شوند.

لیزر دینامیک گاز شبیه به موتور جت است که در آن سوخت با افزودن مولکول‌های گازهای محیط فعال سوخته می‌شود. در محفظه احتراق، مولکول‌های گاز برانگیخته می‌شوند و هنگامی که در یک جریان مافوق صوت سرد می‌شوند، انرژی به شکل تابش منسجم پرقدرت در ناحیه مادون قرمز منتشر می‌کنند که از طریق جریان گاز خارج می‌شود.

در لیزرهای شیمیایی (نوعی از لیزرهای دینامیک گاز)، وارونگی جمعیت به دلیل واکنش های شیمیایی ایجاد می شود. بالاترین قدرت توسط لیزر بر اساس واکنش فلوئور اتمی با هیدروژن ایجاد می شود:

لیزرهای مایع محیط فعال این لیزرها (به آنها لیزر رنگی نیز می گویند) ترکیبات آلی مختلف به صورت محلول هستند. اولین لیزرهای رنگی در اواخر دهه 1960 ظاهر شدند. چگالی ماده کاری آنها یک مکان میانی بین جامد و گاز را اشغال می کند، بنابراین آنها تابش بسیار قوی (تا 20 وات) با اندازه کوچک سلول با ماده فعال تولید می کنند. آنها در دو حالت پالسی و پیوسته کار می کنند، آنها توسط لامپ های پالسی و لیزر پمپ می شوند. سطوح برانگیخته مولکول های رنگ گسترده است؛ بنابراین، لیزرهای مایع چندین فرکانس را به طور همزمان منتشر می کنند. و با تغییر کووت ها با محلول های رنگی می توان تابش لیزر را در محدوده بسیار وسیعی تنظیم کرد. تنظیم صاف فرکانس تابش با تنظیم تشدید کننده انجام می شود.

لیزرهای نیمه هادی این نوع از ژنراتورهای کوانتومی نوری در سال 1962 به طور همزمان توسط چندین گروه از محققان آمریکایی (R. Hall، MI Neuthen، T. Kvist و غیره) ایجاد شد، اگرچه اثبات نظری کار او توسط NG Basov و همکارانش در سال 1958 انجام شد. رایج ترین مواد نیمه هادی لیزر - آرسنید گالیم GaAr.

طبق قوانین مکانیک کوانتومی الکترون‌ها در یک جامد باندهای انرژی گسترده‌ای را اشغال می‌کنند که از سطوح مستمر زیادی تشکیل شده‌اند. نوار پایینی که نوار ظرفیت نامیده می شود، توسط نوار به اصطلاح ممنوعه از نوار بالایی (نوار رسانایی) جدا می شود که در آن هیچ سطح انرژی وجود ندارد. در یک نیمه هادی، تعداد کمی الکترون رسانایی وجود دارد، تحرک آنها محدود است، اما تحت تأثیر حرکت حرارتی، تک تک الکترون ها می توانند از نوار ظرفیت به نوار رسانایی بپرند و یک فضای خالی در آن باقی بگذارند - یک "سوراخ". و اگر یک الکترون با انرژی E e به طور خود به خود به نوار هدایت باز می گردد، با سوراخی که انرژی دارد "دوباره ترکیب می شود" E d که با تابش از ناحیه ممنوعه فوتون با فرکانس همراه است n = E NS - Eه) لیزر نیمه هادی با جریان الکتریکی ثابت پمپ می شود (در این حالت از 50 تا 100 درصد انرژی آن به تشعشع تبدیل می شود). تشدید کننده معمولاً وجه های صیقلی یک کریستال نیمه هادی است.

لیزر در طبیعت لیزرهایی با منشا طبیعی در کیهان کشف شده است. وارونگی جمعیت در ابرهای عظیم بین ستاره ای از گازهای متراکم رخ می دهد. تشعشعات کیهانی، نور از ستارگان نزدیک و غیره پمپ می شوند. به دلیل طول غول پیکر محیط فعال (ابرهای گازی) - صدها میلیون کیلومتر - چنین لیزرهای اخترفیزیکی نیازی به تشدیدگر ندارند: تابش الکترومغناطیسی تحریک شده در محدوده طول موج از چندین سانتی متر (سحابی خرچنگ) تا میکرون (در مجاورت ستاره اتا کارینا) با یک گذر موج در آنها ظاهر می شود.

خواص تابش لیزر

بر خلاف منابع تابش حرارتی معمولی، لیزر نوری تولید می کند که دارای تعدادی خواص ویژه و بسیار ارزشمند است.

1. تابش لیزر منسجم و عملاً تک رنگ است. قبل از ظهور لیزر، تنها امواج رادیویی ساطع شده توسط یک فرستنده به خوبی تثبیت شده دارای این ویژگی بودند. و این امکان تسلط بر دامنه نور مرئی برای انتقال اطلاعات و ارتباطات را فراهم کرد و در نتیجه میزان اطلاعات ارسالی در واحد زمان را به میزان قابل توجهی افزایش داد.

با توجه به این واقعیت که تابش تحریک شده به شدت در امتداد محور تشدید کننده منتشر می شود، پرتو لیزر ضعیف منبسط می شود: واگرایی آن چندین ثانیه قوس است.

تمام ویژگی های فوق اجازه می دهد تا پرتو لیزر را در یک نقطه بسیار کوچک متمرکز کنید و چگالی انرژی زیادی در نقطه کانونی بدست آورید.

2. تابش لیزر پرقدرت دارای دمای بسیار زیادی است.

رابطه بین انرژی تابش تعادل Eاین فرکانس nو دمای آن تیقانون تابش پلانک را تعریف می کند. رابطه بین این کمیت ها به شکل خانواده ای از منحنی ها در مختصات فرکانس (آبسیسا) - انرژی (مرتبط) است. هر منحنی توزیع انرژی در طیف تابش را در دمای خاصی نشان می دهد. تابش لیزر غیرتعادلی است، اما با این وجود، مقادیر انرژی خود را با فرمول پلانک جایگزین می کند. Eدر واحد حجم و فرکانس n(یا با ترسیم مقادیر آنها در نمودار)، دمای تابش را دریافت می کنیم. از آنجایی که تابش لیزر عملاً تک رنگ است و چگالی انرژی (مقدار آن در واحد حجم) می تواند بسیار زیاد باشد، دمای تابش می تواند به مقادیر بسیار زیادی برسد. به عنوان مثال، یک لیزر پالسی با توانی در حد یک پتاوات (10 15 وات) دارای دمای تابش حدود 100 میلیون درجه است.

استفاده از لیزر.

خواص منحصر به فرد تابش لیزر، ژنراتورهای کوانتومی را به ابزاری ضروری در زمینه های مختلف علم و فناوری تبدیل کرده است.

1. لیزرهای تکنولوژیکی. لیزرهای قوی پیوسته برای برش، جوش و لحیم کاری قطعات ساخته شده از مواد مختلف استفاده می شود. دمای تابش زیاد این امکان را فراهم می کند که موادی را که نمی توان با روش های دیگر به یکدیگر متصل کرد (مثلاً فلز به سرامیک) جوش داد. تک رنگی بالای تابش باعث می شود تا پرتو به نقطه ای با قطر حدود یک میکرون متمرکز شود (به دلیل عدم پراکندگی، سانتی متر... ارتعاشات و امواج) و از آن برای ساخت ریزمدارها (به اصطلاح روش لیزر نویسی - برداشتن لایه نازک) استفاده کنید. برای پردازش قطعات در خلاء یا در اتمسفر گاز بی اثر، پرتو لیزر را می توان از طریق یک پنجره شفاف وارد محفظه فرآیند کرد.

پرتو لیزر کاملاً مستقیم به عنوان یک "خط کش" مفید عمل می کند. در ژئودزی و ساخت و ساز، از لیزرهای پالسی برای اندازه گیری فواصل روی زمین استفاده می شود و آنها را با زمان حرکت پالس نور بین دو نقطه محاسبه می کنند. اندازه گیری های دقیق در صنعت با استفاده از تداخل پرتوهای لیزر منعکس شده از سطوح انتهایی محصول انجام می شود.

2-ارتباطات لیزری ظهور لیزرها تکنولوژی ارتباطات و ضبط اطلاعات را متحول کرد. یک قانون ساده وجود دارد: هر چه فرکانس حامل (طول موج کوتاهتر) کانال ارتباطی بیشتر باشد، پهنای باند آن بیشتر است. به همین دلیل است که ارتباطات رادیویی، که در ابتدا بر دامنه امواج بلند تسلط داشتند، به تدریج به طول موج‌های کوتاه‌تر تبدیل شدند. اما نور همان موج الکترومغناطیسی امواج رادیویی است و فقط ده ها هزار بار کوتاهتر است، بنابراین یک پرتو لیزر می تواند ده ها هزار برابر بیشتر از یک کانال رادیویی با فرکانس بالا اطلاعات را منتقل کند. ارتباط لیزری از طریق فیبر نوری - رشته های شیشه ای نازک انجام می شود، که در آن نور، به دلیل انعکاس کلی داخلی، عملاً بدون تلفات صدها کیلومتر پخش می شود. از پرتو لیزر برای ضبط و بازتولید تصاویر (از جمله تصاویر متحرک) و صدا بر روی سی دی استفاده می شود.

3. لیزر در پزشکی . فناوری لیزر به طور گسترده ای هم در جراحی و هم در درمان استفاده می شود. شبکیه جدا شده با پرتو لیزری که از مردمک چشم وارد می شود جوش داده می شود و نقص فوندوس اصلاح می شود. عمل های جراحی انجام شده با "چاقوی جراحی لیزری" برای بافت های زنده کمتر آسیب زا هستند. تابش لیزر کم توان، بهبود زخم را تسریع می کند و اثری مشابه طب سوزنی دارد که توسط طب شرقی (طب سوزنی لیزری) انجام می شود.

4. لیزر در تحقیقات علمی . دمای بسیار بالای تابش و چگالی بالای انرژی آن، مطالعه ماده را در حالت شدیدی که فقط در روده ستارگان داغ وجود دارد، ممکن می سازد. تلاش هایی برای انجام یک واکنش گرما هسته ای با فشردن یک آمپول با مخلوط دوتریوم و تریتیوم با سیستم پرتوهای لیزر (به اصطلاح همجوشی ترموهسته ای اینرسی) انجام می شود. در مهندسی ژنتیک و فناوری نانو (فناوری که با اجسام با اندازه مشخصه 10 تا 9 متر سروکار دارد)، پرتوهای لیزر قطعاتی از ژن‌ها، مولکول‌های بیولوژیکی و بخش‌هایی به‌اندازه یک میلیونیم میلی‌متر (9-10 متر) را برش داده، حرکت داده و به هم متصل می‌کنند. ). مکان یاب لیزری (لیدار) برای مطالعه جو استفاده می شود.

5. لیزرهای نظامی. کاربردهای نظامی لیزرها شامل استفاده از آنها برای تشخیص و ارتباط هدف و استفاده از آنها به عنوان سلاح است. برنامه ریزی شده است که ماهواره ها و هواپیماهای جنگی دشمن را با پرتوهای لیزرهای شیمیایی و اگزایمر قدرتمند زمینی یا مداری منهدم یا غیرفعال کند. نمونه هایی از تپانچه های لیزری برای مسلح کردن خدمه ایستگاه های مداری نظامی ایجاد شده است.

بدون اغراق می توان گفت که لیزرهایی که در اواسط قرن بیستم ظاهر شدند، همان نقشی را در زندگی بشر داشتند که برق و رادیو نیم قرن قبل از آن.

سرگئی ترانکوفسکی

"تابش لیزر"

معرفی

تابش لیزر یکی از جالب ترین دستاوردهای علمی و فناوری قرن بیستم است. ایجاد لیزر منجر به تولد دوباره اپتیک علمی و فنی و توسعه صنایع کاملاً جدید شد. بر خلاف منابع تابش حرارتی معمولی، لیزر نوری تولید می کند که دارای تعدادی خواص ویژه و بسیار ارزشمند است.
مهم است که تابش لیزر منسجم و عملاً تک رنگ باشد. قبل از ظهور لیزر، تنها امواج رادیویی ساطع شده توسط یک فرستنده به خوبی تثبیت شده دارای این ویژگی بودند. و این امکان تسلط بر دامنه نور مرئی برای انتقال اطلاعات و ارتباطات را فراهم کرد و در نتیجه میزان اطلاعات ارسالی در واحد زمان را به میزان قابل توجهی افزایش داد.
با توجه به این واقعیت که تابش تحریک شده به شدت در امتداد محور تشدید کننده منتشر می شود، پرتو لیزر ضعیف منبسط می شود: واگرایی آن چندین ثانیه قوس است. 1
این ویژگی های ذکر شده امکان تمرکز پرتو لیزر را در یک نقطه بسیار کوچک، به دست آوردن چگالی انرژی عظیم در نقطه کانونی فراهم می کند. تابش لیزر با توان بالا دمای فوق العاده ای دارد. برای مثال یک لیزر پالسی با توان 1015 وات دارای دمای تابش حدود 100 میلیون درجه است. با توجه به این خواص، لیزرها در زمینه های مختلف علم، فناوری و پزشکی کاربرد پیدا کرده اند. استفاده از تابش لیزر برای ارتباطات فضایی بسیار امیدوارکننده است، در رادارهای نوری که مسافت های طولانی را با دقت میلی متر اندازه گیری می کنند، برای انتقال سیگنال های تلویزیون و کامپیوتر از طریق فیبر نوری. لیزر برای خواندن اطلاعات از سی دی و بارکد محصولات استفاده می شود. با کمک پرتو لیزرهای کم شدت، می توان عملیات جراحی را انجام داد، به عنوان مثال، "جوش دادن" شبکیه جدا شده از فوندوس چشم، برای انجام عملیات عروقی. در فرآوری مواد با استفاده از لیزر، جوشکاری، برشکاری، حفر سوراخ های بسیار کوچک با دقت بالا انجام می شود.استفاده از تابش لیزر پرقدرت برای اجرای یک واکنش حرارتی هسته ای کنترل شده امیدوارکننده است. لیزر همچنین برای بررسی توپوگرافی استفاده می شود زیرا پرتو لیزر یک خط مستقیم کامل ایجاد می کند. جهت تونل زیر کانال انگلیسی توسط پرتو لیزر تعیین شد. با کمک تابش لیزر، تصاویر حجمی سه بعدی هولوگرافیک به دست می آید. در مترولوژی از لیزر برای اندازه گیری طول، سرعت، فشار استفاده می شود. ایجاد لیزر نتیجه استفاده از قوانین اساسی فیزیکی در تحقیقات کاربردی است. منجر به پیشرفت های شگرف در زمینه های مختلف فناوری و فناوری شده است. ایجاد لیزر به یک عامل تعیین کننده در توسعه سیستم های انتقال نوری تبدیل شده است. موارد فوق ارتباط مطالعه را در این کار تعیین می کند.
هدف از این کار بررسی تابش لیزر است. اهداف این کار در نظر گرفتن:
- خواص تابش لیزر؛
- تاریخچه کوتاهی از ظهور و بهبود لیزرها.
- منابع، خواص و انواع لیزرها؛
- اثر مضر اشعه لیزر؛
- کلاس های ایمنی لیزر و تجهیزات حفاظتی.

1. تکنولوژی لیزر

فناوری لیزر هنوز بسیار جوان است - حتی نیم قرن از عمر آن نمی گذرد. با این حال، در این زمان بسیار کوتاه، لیزر از یک دستگاه آزمایشگاهی کنجکاو به وسیله ای برای تحقیقات علمی، به ابزاری مورد استفاده در صنعت تبدیل شده است. پیدا کردن چنین منطقه ای از فناوری مدرن که در آن لیزر کار نمی کند دشوار است. تابش آنها برای ارتباط، ضبط و خواندن اطلاعات، برای اندازه گیری دقیق استفاده می شود. آنها در پزشکی، جراحی و درمان ضروری هستند. بسیاری از دانشمندان بر این باورند که تغییرات شگرفی که لیزر در زندگی انسان ایجاد کرد مشابه پیامدهای استفاده صنعتی از برق در پایان قرن نوزدهم است.
امکانات بزرگ فناوری لیزر با خواص ویژه تابش لیزر توضیح داده می شود. ماهیت آن توسط مکانیک کوانتومی مطالعه می شود. این قوانین آن است که فرآیندهای در حال انجام در لیزر را توصیف می کند، بنابراین به آن ژنراتور کوانتومی نوری نیز می گویند.
بنابراین، نور جریانی از ذرات ویژه است که توسط اتم ها - فوتون ها یا کوانتوم های تابش الکترومغناطیسی ساطع می شود. آنها را باید به عنوان بخش های موج در نظر گرفت، نه به عنوان ذرات ماده. هر فوتون حامل بخش مشخصی از انرژی پرتاب شده توسط اتم است. 2
فوتون های ساطع شده کاملاً یکسان هستند، فرکانس آنها برابر و فازها یکسان هستند. هنگامی که آنها با دو اتم برانگیخته ملاقات می کنند، 4 فوتون وجود خواهد داشت، سپس 8، 16، و غیره. بهمنی از فوتون های غیر قابل تشخیص ظاهر می شود که به اصطلاح تابش منسجم تک رنگ (یک رنگ) را تشکیل می دهد. این انتشار تحریک شده دارای تعدادی ویژگی جالب است.
تابش لیزر بسیار داغ است. مقدار آن به قدرت تشعشع بستگی دارد و گاهی اوقات به میلیون ها درجه می رسد.
در این حالت لیزر در یک فرکانس و در یک طول موج انرژی ساطع می کند. قبلاً چنین تشعشعات تک رنگ فقط در محدوده امواج رادیویی دریافت می شد. نور ساطع شده حتی از یک قطعه بسیار کوچک از ماده رشته ای همیشه از امواجی با فرکانس های بسیار متفاوت تشکیل شده است. به همین دلیل، در اپتیک، به عنوان مثال، ایجاد پرتوهای تابشی با جهت باریک و متمرکز، که مهندسان رادیو بیش از ده سال است که از آن استفاده می کنند، ممکن نبود.
همچنین نور لیزر بسیار پایدار است. موج الکترومغناطیسی تولید شده توسط لیزر برای چندین کیلومتر بدون تغییر منتشر می شود. دامنه، فرکانس و فاز آن می تواند برای مدت بسیار طولانی ثابت بماند. به این کیفیت انسجام مکانی و زمانی بالا گفته می شود.
این سه ویژگی تابش لیزر در شاخه های مختلف فناوری، در حل مسائل مختلف فناوری کاربرد پیدا کرده است. برای هر مورد می توانید نوع لیزر مناسب و توان مورد نیاز را انتخاب کنید. 3

2. ویژگی های لیزر

2.1 تولد خانواده لیزر

نحوه بدست آوردن تشعشعات منسجم در سال 1918 زمانی که آلبرت انیشتین پدیده انتشار تحریک شده را پیش بینی کرد مشخص شد. اگر محیطی ایجاد کنید که در آن اتم ها در حالت برانگیخته باشند و «جریان ضعیفی از فوتون های همدوس را به داخل آن بفرستید، آنگاه شدت آن افزایش می یابد. در اوایل دهه 50. محققین روسی نیکلای گنادیویچ باسوف، الکساندر میخائیلوویچ پروخوروف و مستقل از آنها، فیزیکدان آمریکایی چارلز هارد تاونز تقویت کننده امواج رادیویی با فرکانس بالا بر اساس مولکول های آمونیاک ایجاد کردند. مولکول های برانگیخته لازم برای کار از جریان گاز توسط یک میدان الکتریکی با پیکربندی پیچیده گرفته شده است. دستگاه نوزاد تازه متولد شده میزر نام گرفت.
در سال 1960، فیزیکدان آمریکایی، تئودور هارولد میمن، اولین ژنراتور کوانتومی در محدوده نوری، یک لیزر را طراحی کرد. تقویت نور در کریستال یاقوتی از انواع شفاف اکسید آلومینیوم با مخلوط کوچکی از کروم رخ داد (این ماده توسط یک سوم یک سال قبل، N.G. Basov و A.M. Prokhorov اشاره شده است). لیزر از یک میله یاقوتی خنک شده با نیتروژن مایع به طول حدود 4 سانتی متر و قطر 5 میلی متر استفاده می کرد. انتهای نقره ای میله به عنوان آینه عمل می کرد که یکی از آنها نیمه شفاف بود. انرژی توسط یک لامپ فلاش قدرتمند به کریستال پمپ می شد. جریانی از فوتون های پرانرژی، اتم های کروم را به حالت برانگیخته منتقل کردند. در یکی از سطوح انرژی بالا، اتم ها به طور متوسط ​​0.003 ثانیه تاخیر دارند، زمان در مقیاس اتمی بسیار زیاد است. در این دوره، برخی از اتم ها زمان دارند تا فوتون ها را به طور خود به خود ساطع کنند. شار آنها، که مکرراً بین آینه‌ها جریان دارد، باعث می‌شود همه اتم‌های برانگیخته کوانتوم نور ساطع کنند. در نتیجه، فلاش نور متولد می شود - یک پالس لیزر با توان ده ها هزار وات. امروزه میله های لیزر از مواد مختلفی ساخته می شوند، اما اغلب از یاقوت، گارنت و شیشه با مخلوطی از فلز کمیاب - نئودیمیم.برخی لیزرهای حالت جامد (مثلاً روی گارنت) صدها و هزاران پالس در ثانیه تولید می کنند. 4
و در همان سال 1960، فیزیکدانان آمریکایی A Javan، B Bepnet و D. Herriot یک لیزر گازی ایجاد کردند که بر روی مخلوطی از هلیوم و نئون کار می کرد. این لیزر نور قرمز را دیگر نه به صورت پالس، بلکه پیوسته ساطع می کرد. ترکیب گازها به قدری خوب انتخاب شده است که لیزرهای هلیوم-نئون هنوز رایج ترین منابع نور منسجم هستند، اگرچه بسیاری از گازها و بخارات دیگر نیز منتشر شده اند. انرژی توسط یک تخلیه الکتریکی درخشان به مخلوط گاز پمپ می شود. رنگ پرتو به ترکیب گاز یا بخاری که لیزر بر روی آن کار می کند بستگی دارد. به عنوان مثال، آرگون نور آبی، زرد کریپتون، زنون و بخار مس سبز می دهد. آزمایش پرتوهای نامرئی دی اکسید کربن و بخار آب (مادون قرمز).
خانواده لیزرهای گازی همچنین شامل ژنراتورهای کوانتومی است که در آنها مولکول های برانگیخته از قبل آماده نمی شوند، اما بلافاصله در لحظه تابش ظاهر می شوند. اینها به اصطلاح لیزرهای گاز دینامیک و شیمیایی هستند که قدرت عظیم صدها کیلووات و حتی ده ها مگاوات را در حالت پیوسته توسعه می دهند.
لیزر دینامیک گازی شبیه موتور جت است. مولکول های گاز بسیار گرم که از آن خارج می شود، انرژی را به شکل تابش نور منتشر می کند. در لیزر شیمیایی، مولکول های برانگیخته شده توسط یک واکنش شیمیایی تولید می شوند. پرانرژی ترین آنها ترکیب فلوئور اتمی با هیدروژن است.
تابش مداوم نیز توسط لیزرهای مایع تولید می شود. ماده کار برای آنها، به عنوان مثال، محلول های نمک نئودیمیم و ترکیبات آنیلین است. از آنجایی که از ترکیبات آنیلین برای رنگرزی پارچه ها استفاده می شود، ژنراتورهای مبتنی بر آنها را لیزرهای رنگی می نامند. برای عملکرد پایدارتر لیزر، مایع را می توان از یخچال عبور داد.
کوچکترین لیزرها نیمه رسانا هستند: چندین ده از آنها را می توان در یک جعبه کبریت قرار داد و حجم ماده ای که در آن انتشار تحریک شده رخ می دهد از هزارم میلی متر مکعب تجاوز نمی کند. انرژی توسط جریان الکتریکی به یک نیمه هادی پمپ می شود. بیش از نیمی از آن به نور "تبدیل" می شود، یعنی راندمان این لیزرها می تواند به بیش از 50٪ برسد.

2.2 انواع لیزر

1) لیزرهای حالت جامد.
اولین محیط جامد فعال یاقوت بود - یک کریستال کوراندوم Al2O3 با مخلوط کوچکی از یون های کروم Cr +++. این شیشه توسط T. Meiman (ایالات متحده آمریکا) در سال 1960 طراحی شد. شیشه با مخلوط نئودیمیم Nd، گارنت آلومینیوم ایتریم Y 2 Al 5 O 12 با مخلوطی از کروم، نئودیمیم و عناصر خاکی کمیاب به شکل میله نیز به طور گسترده استفاده می شود. . لیزرهای حالت جامد معمولاً توسط یک لامپ فلاش پمپ می شوند که حدود 10 تا 3 ثانیه چشمک می زند و طول پالس لیزر نصف می شود. بخشی از زمان صرف ایجاد یک جمعیت معکوس می شود و در پایان فلاش، شدت نور برای تحریک اتم ها کافی نیست و تولید متوقف می شود. پالس لیزر ساختار پیچیده ای دارد، از بسیاری از پیک های فردی با مدت زمان حدود 10-6 ثانیه تشکیل شده است که با فواصل حدود 10-5 ثانیه از هم جدا می شوند. در این حالت به اصطلاح تولید آزاد، توان پالس می تواند به ده ها کیلووات برسد. از نظر فنی، افزایش توان به سادگی با تقویت نور پمپ و افزایش اندازه میله لیزر غیرممکن است. بنابراین قدرت پالس های لیزر با کاهش مدت زمان آنها افزایش می یابد. برای این کار، دریچه ای در مقابل یکی از آینه های حفره قرار می گیرد که از شروع لیزر جلوگیری می کند تا تقریباً تمام اتم های ماده فعال به سطح بالایی منتقل شوند. سپس شاتر برای مدت کوتاهی باز می شود و تمام انرژی انباشته شده به صورت یک پالس به اصطلاح غول پیکر نمایش داده می شود. بسته به ذخیره انرژی و مدت زمان فلاش، توان پالس می تواند از چندین مگاوات تا ده ها تراوات (1012 وات) متغیر باشد. 5
2) لیزرهای گازی.
محیط فعال لیزرهای گازی گازهای کم فشار (از صدم تا چند میلی متر جیوه) یا مخلوط آنهاست که یک لوله شیشه ای را با الکترودهای لحیم شده پر می کند. اولین لیزر گازی مبتنی بر مخلوط هلیوم و نئون اندکی پس از لیزر یاقوت در سال 1960 توسط A. Javan، W. Bennett و D. Herriot (ایالات متحده آمریکا) ایجاد شد. لیزرهای گازی توسط یک تخلیه الکتریکی که توسط یک ژنراتور فرکانس بالا تامین می شود پمپ می شوند. آنها تابش را به همان روشی که در لیزرهای حالت جامد تولید می کنند، تولید می کنند، اما لیزرهای گازی، به عنوان یک قاعده، تابش مداوم می دهند. از آنجایی که چگالی گازها بسیار کم است، طول لوله با محیط فعال باید به اندازه ای باشد که جرم ماده فعال برای به دست آوردن شدت تابش بالا کافی باشد.
لیزرهای گازی همچنین شامل لیزرهای گاز دینامیک، شیمیایی و اکسایمر (لیزرهایی که بر روی انتقال الکترونیکی مولکول‌ها کار می‌کنند که فقط در حالت برانگیخته وجود دارند) می‌شوند.
لیزر دینامیک گاز شبیه به موتور جت است که در آن سوخت با افزودن مولکول‌های گازهای محیط فعال سوخته می‌شود. در محفظه احتراق، مولکول‌های گاز برانگیخته می‌شوند و هنگامی که در یک جریان مافوق صوت سرد می‌شوند، انرژی به شکل تابش منسجم پرقدرت در ناحیه مادون قرمز منتشر می‌کنند که از طریق جریان گاز خارج می‌شود.
3) لیزرهای شیمیایی.
در لیزرهای شیمیایی (نوعی از لیزرهای دینامیک گاز)، وارونگی جمعیت به دلیل واکنش های شیمیایی ایجاد می شود. بالاترین قدرت توسط لیزر بر اساس واکنش فلوئور اتمی با هیدروژن ایجاد می شود.
4) لیزر مایع.
محیط فعال این لیزرها (به آنها لیزر رنگی نیز می گویند) ترکیبات آلی مختلف به صورت محلول هستند. اولین لیزرهای رنگی در اواخر دهه 1960 ظاهر شدند. چگالی ماده کاری آنها یک مکان میانی بین جامد و گاز را اشغال می کند، بنابراین آنها تابش بسیار قوی (تا 20 وات) با اندازه کوچک سلول با ماده فعال تولید می کنند. آنها در دو حالت پالسی و پیوسته کار می کنند، آنها توسط لامپ های پالسی و لیزر پمپ می شوند. سطوح برانگیخته مولکول های رنگ گسترده است؛ بنابراین، لیزرهای مایع چندین فرکانس را به طور همزمان منتشر می کنند. و با تغییر کووت ها با محلول های رنگی می توان تابش لیزر را در محدوده بسیار وسیعی تنظیم کرد. تنظیم صاف فرکانس تابش با تنظیم تشدید کننده انجام می شود.
5) لیزرهای نیمه هادی.
این نوع از ژنراتورهای کوانتومی نوری در سال 1962 به طور همزمان توسط چندین گروه از محققان آمریکایی (R. Hall، M.I. مواد نیمه هادی لیزر رایج - گالیم آرسنید GaAr) ایجاد شد. 6
مطابق با قوانین مکانیک کوانتومی، الکترون‌ها در یک جامد باندهای انرژی گسترده‌ای را اشغال می‌کنند که از سطوح زیادی به طور پیوسته تشکیل شده‌اند. نوار پایینی که نوار ظرفیت نامیده می شود، توسط نوار به اصطلاح ممنوعه از نوار بالایی (نوار رسانایی) جدا می شود که در آن هیچ سطح انرژی وجود ندارد. در یک نیمه هادی، تعداد کمی الکترون رسانایی وجود دارد، تحرک آنها محدود است، اما تحت تأثیر حرکت حرارتی، تک تک الکترون ها می توانند از نوار ظرفیت به نوار رسانایی بپرند و یک فضای خالی در آن باقی بگذارند - یک "سوراخ". و اگر یک الکترون با انرژی Ee به طور خود به خود به نوار رسانایی بازگردد، با حفره ای با انرژی Ed "دوباره" ترکیب می شود که با تابش از ناحیه ممنوعه فوتون با فرکانس n = Ee - Ed همراه است. یک لیزر نیمه هادی با جریان الکتریکی ثابت پمپ می شود (در این مورد، از 50 تا تقریبا 100٪ انرژی آن به تشعشع تبدیل می شود). تشدید کننده معمولاً وجه های صیقلی یک کریستال نیمه هادی است.
6) لیزر در طبیعت.
لیزرهایی با منشا طبیعی در کیهان کشف شده است. وارونگی جمعیت در ابرهای عظیم بین ستاره ای از گازهای متراکم رخ می دهد. تشعشعات کیهانی، نور از ستارگان نزدیک و غیره پمپ می شوند. به دلیل طول غول پیکر محیط فعال (ابرهای گازی) - صدها میلیون کیلومتر - چنین لیزرهای اخترفیزیکی نیازی به تشدیدگر ندارند: تابش الکترومغناطیسی تحریک شده در محدوده طول موج از چندین سانتی متر (سحابی خرچنگ) تا میکرون (در مجاورت ستاره اتا کارینا) با یک گذر موج در آنها ظاهر می شود.

2.3 خواص تابش لیزر

بر خلاف منابع تابش حرارتی معمولی، لیزر نوری تولید می کند که دارای تعدادی خواص ویژه و بسیار ارزشمند است. 7
1. تابش لیزر منسجم و عملاً تک رنگ است. قبل از ظهور لیزر، تنها امواج رادیویی ساطع شده توسط یک فرستنده به خوبی تثبیت شده دارای این ویژگی بودند. با توجه به این واقعیت که تابش تحریک شده به شدت در امتداد محور تشدید کننده منتشر می شود، پرتو لیزر ضعیف منبسط می شود: واگرایی آن چندین ثانیه قوس است.
این ویژگی های ذکر شده امکان تمرکز پرتو لیزر را در یک نقطه بسیار کوچک، به دست آوردن چگالی انرژی عظیم در نقطه کانونی فراهم می کند.
2. تابش لیزر پرقدرت دارای دمای بسیار زیادی است. برای مثال، یک لیزر پالسی با توانی در حد یک پتاوات (1015 وات) دارای دمای تابش حدود 100 میلیون درجه است.
این ویژگی های منحصر به فرد تابش لیزر، مولدهای کوانتومی را به ابزاری ضروری در زمینه های مختلف علم و فناوری تبدیل کرده است.
1. لیزرهای تکنولوژیکی. لیزرهای قوی پیوسته برای برش، جوش و لحیم کاری قطعات ساخته شده از مواد مختلف استفاده می شود. دمای تابش زیاد این امکان را فراهم می کند که موادی را که نمی توان با روش های دیگر به یکدیگر متصل کرد (مثلاً فلز به سرامیک) جوش داد. تک رنگی بالای تابش این امکان را فراهم می کند که پرتو را به نقطه ای با قطر یک میکرون متمرکز کرده و از آن برای ساخت ریزمدارها (به اصطلاح روش خط زدن لیزر - برداشتن لایه نازک) استفاده شود. برای پردازش قطعات در خلاء یا در اتمسفر گاز بی اثر، پرتو لیزر را می توان از طریق یک پنجره شفاف وارد محفظه فرآیند کرد.
2. ارتباط لیزری. ظهور لیزر انقلابی در فناوری ارتباطات و ضبط اطلاعات ایجاد کرد. یک قانون ساده وجود دارد: هر چه فرکانس حامل (طول موج کوتاهتر) کانال ارتباطی بیشتر باشد، پهنای باند آن بیشتر است. به همین دلیل است که ارتباطات رادیویی، که در ابتدا بر دامنه امواج بلند تسلط داشتند، به تدریج به طول موج‌های کوتاه‌تر تبدیل شدند. اما نور همان موج الکترومغناطیسی امواج رادیویی است و فقط ده ها هزار بار کوتاهتر است، بنابراین یک پرتو لیزر می تواند ده ها هزار برابر بیشتر از یک کانال رادیویی با فرکانس بالا اطلاعات را منتقل کند. ارتباط لیزری از طریق فیبر نوری - رشته های شیشه ای نازک انجام می شود، که در آن نور، به دلیل انعکاس کلی داخلی، عملاً بدون تلفات صدها کیلومتر پخش می شود. از پرتو لیزر برای ضبط و بازتولید تصاویر (از جمله تصاویر متحرک) و صدا بر روی سی دی استفاده می شود.
3. لیزر در پزشکی. فناوری لیزر به طور گسترده ای هم در جراحی و هم در درمان استفاده می شود. شبکیه جدا شده با پرتو لیزری که از مردمک چشم وارد می شود جوش داده می شود و نقص فوندوس اصلاح می شود. عمل های جراحی انجام شده با "چاقوی جراحی لیزری" برای بافت های زنده کمتر آسیب زا هستند. تابش لیزر کم توان، بهبود زخم را تسریع می کند و اثری مشابه طب سوزنی دارد که توسط طب شرقی (طب سوزنی لیزری) انجام می شود.
4. لیزر در تحقیقات علمی. دمای بسیار بالای تابش و چگالی بالای انرژی آن، مطالعه ماده را در حالت شدیدی که فقط در روده ستارگان داغ وجود دارد، ممکن می سازد. تلاش هایی برای انجام یک واکنش گرما هسته ای با فشردن یک آمپول با مخلوط دوتریوم و تریتیوم با سیستم پرتوهای لیزر (به اصطلاح همجوشی ترموهسته ای اینرسی) انجام می شود. در مهندسی ژنتیک و فناوری نانو (فناوری که با اجسام با اندازه مشخصه 10 تا 9 متر سروکار دارد)، پرتوهای لیزر قطعاتی از ژن‌ها، مولکول‌های بیولوژیکی و بخش‌هایی به‌اندازه یک میلیونیم میلی‌متر (9-10 متر) را برش داده، حرکت داده و به هم متصل می‌کنند. ). مکان یاب لیزری (لیدار) برای مطالعه جو استفاده می شود.
5. لیزرهای نظامی. کاربردهای نظامی لیزرها شامل استفاده از آنها برای تشخیص و ارتباط هدف و استفاده از آنها به عنوان سلاح است. برنامه ریزی شده است که ماهواره ها و هواپیماهای جنگی دشمن را با پرتوهای لیزرهای شیمیایی و اگزایمر قدرتمند زمینی یا مداری منهدم یا غیرفعال کند. نمونه هایی از تپانچه های لیزری برای مسلح کردن خدمه ایستگاه های مداری نظامی ایجاد شده است.

3. مکانیسم اثرات مضر اشعه لیزر

بافت ها و اندام هایی که معمولا در معرض تابش لیزر هستند چشم و پوست هستند. سه نوع اصلی آسیب بافتی ناشی از تابش لیزر وجود دارد. اینها اثرات حرارتی، اثرات فتوشیمیایی، و اثرات گذرا آکوستیک هستند (فقط چشم ها تحت تأثیر قرار می گیرند). اثرات حرارتی می تواند در هر طول موجی رخ دهد و نتیجه تابش یا قرار گرفتن در معرض نور با پتانسیل خنک کننده جریان خون بافت است.
در هوا، اثرات فتوشیمیایی بین 200 تا 400 نانومتر و نور فرابنفش و بین 400 تا 470 نانومتر در طول موج‌های بنفش رخ می‌دهد. اثرات فتوشیمیایی به مدت و همچنین سرعت تکرار تابش مربوط می شود.
اثرات گذرا آکوستیک مرتبط با مدت پالس می‌تواند در زمان‌های پالس کوتاه (تا 1 میلی‌ثانیه)، بسته به طول موج لیزر خاص رخ دهد. قرار گرفتن در معرض صوتی اثرات گذرا به خوبی درک نشده است، اما می تواند باعث آسیب به شبکیه شود که از آسیب حرارتی شبکیه متمایز است.
آسیب احتمالی به چشم ارتباط مستقیمی با طول موج لیزر دارد. طول موج های کوتاه تر از 300 نانومتر یا بیشتر از 1400 نانومتر بر قرنیه تاثیر می گذارد. طول موج بین 300 تا 400 نانومتر بر روی زلالیه، عنبیه، عدسی و زجاجیه تأثیر می گذارد. طول موج های بین 400 تا 1400 نانومتر به سمت شبکیه هدایت می شوند. هشت
آسیب لیزر به شبکیه می تواند به دلیل بهره کانونی (بهره نوری) از چشم ها که حدود 105 است، بسیار زیاد باشد. به شبکیه می رسد.
با سوختگی حرارتی چشم، عملکرد خنک کننده عروق شبکیه مختل می شود. در نتیجه اثر مخرب فاکتور حرارتی، خونریزی در بدن زجاجیه می تواند در نتیجه آسیب به رگ های خونی رخ دهد.
از آنجایی که شبکیه می تواند پس از آسیب جزئی بهبود یابد، آسیب های عمده به شبکیه ماکولا می تواند منجر به از دست دادن موقت یا دائمی بینایی یا کوری کامل شود. آسیب فتوشیمیایی قرنیه در اثر تابش اشعه ماوراء بنفش می تواند منجر به فوتوکراتوکونژونکتیویت شود (که اغلب به عنوان بیماری جوشکار یا برف کوری شناخته می شود). این شرایط دردناک می تواند چندین روز با درد بسیار ناتوان کننده ادامه یابد. قرار گرفتن در معرض تابش طولانی مدت می تواند منجر به تشکیل آب مروارید شود.
کل مدت زمان قرار گرفتن در معرض نیز بر ترومای چشم تأثیر می گذارد. برای مثال، اگر لیزری با طول موج‌های مرئی (400 تا 700 نانومتر) دارای توان پرتوی کمتر از 1.0 مگاوات و زمان نوردهی کمتر از 0.25 ثانیه (زمانی که طول می‌کشد تا یک فرد چشمان خود را ببندد)، وجود خواهد داشت. بدون آسیب به شبکیه لیزرهای کلاس 1، 2A و 2 در این دسته قرار می گیرند و به طور کلی نمی توانند به شبکیه آسیب بزنند. متأسفانه، ضربه های مستقیم یا غیرمستقیم لیزرهای کلاس 3A، 3B، یا 4 و بازتاب های پراکنده لیزرهای بالاتر از کلاس 4 می تواند قبل از اینکه فرد بتواند چشمان خود را به طور انعکاسی ببندد باعث آسیب شود.
برای لیزرهای پالسی، مدت زمان پالس نیز بر احتمال آسیب به چشم تأثیر می گذارد. نبض‌های کمتر از 1 میلی‌ثانیه هنگام برخورد با شبکیه می‌توانند اثرات گذرای صوتی ایجاد کنند که علاوه بر آسیب حرارتی مورد انتظار، آسیب و خونریزی قابل‌توجهی را در پی خواهد داشت. بسیاری از لیزرهای پالسی در حال حاضر دارای زمان پالس کمتر از 1 پیکو ثانیه هستند.
استاندارد ANSI حداکثر توان مجاز برای قرار گرفتن در معرض لیزر با چشم را بدون هیچ عواقبی (در شرایط خاص) مشخص می کند.
صدمات پوستی ناشی از لیزر اصولاً به دو دسته تقسیم می‌شوند: آسیب‌های حرارتی (سوختگی) ناشی از قرار گرفتن در معرض حاد با پرتوهای لیزر پرقدرت و آسیب‌های ناشی از فوتوشیمیایی ناشی از قرار گرفتن در معرض مزمن با پرتوهای لیزر فرابنفش پراکنده. آسیب حرارتی می تواند در اثر تماس مستقیم با پرتو یا انعکاس چشمی آن ایجاد شود. این آسیب ها اگرچه دردناک هستند، اما معمولاً جدی نیستند و معمولاً با کنترل مناسب پرتو لیزر به راحتی قابل پیشگیری هستند. آسیب فتوشیمیایی می تواند در طول زمان از قرار گرفتن در معرض نور مستقیم، انعکاس چشمی یا حتی بازتاب منتشر رخ دهد. این اثر ممکن است جزئی باشد، اما ممکن است سوختگی شدید باشد، و قرار گرفتن در معرض طولانی مدت ممکن است به شکل گیری سرطان پوست کمک کند. ممکن است برای محافظت از پوست و چشم ها به عینک ایمنی و لباس مناسب نیاز باشد. هنگام کار با لیزر، باید عینکی داشته باشید که در برابر اشعه لیزر محافظت می کند. عینک محافظ حتی برای لیزر 15 مگاواتی مورد نیاز است، زیرا بدون آن چشم ها بسیار خسته می شوند.
درجه حفاظت لیزری عینک با OD (چگالی نوری) اندازه گیری می شود. چگالی نوری نشان می دهد که شیشه ها چند بار نور را کاهش می دهند. یک به معنی "10 بار" است. بر این اساس، "چگالی نوری 3" به معنای تضعیف 1000 برابر و 6 - در یک میلیون است. چگالی نوری صحیح برای لیزر مرئی به گونه‌ای است که قدرت کلاس II پس از برخورد مستقیم لیزر (حداکثر حدود 1 مگاوات) باقی می‌ماند.
عینک خانگی ZN-22 C3-C22 از لیزر قرمز و برخی لیزرهای مادون قرمز محافظت می کند. آنها شبیه عینک های جوشکار هستند اما عینک آبی دارند. در ارتباط با استفاده گسترده از منابع تابش لیزر در تحقیقات علمی، صنعتی، ارتباطات پزشکی و غیره، نیاز به حفظ سلامت افرادی که تاسیسات لیزری مختلف را انجام می دهند وجود دارد. نه
لیزر منبع تابش منسجم است، یعنی حرکت فوتون‌ها که در زمان و مکان به شکل یک پرتو انتخاب شده هماهنگ شده‌اند. ماهیت اثر بر روی دستگاه بینایی و درجه اثر آسیب‌رسان لیزر به چگالی انرژی تابش، طول موج تابش (پالسی یا پیوسته) بستگی دارد. ماهیت آسیب پوست به رنگ پوست بستگی دارد، به عنوان مثال، پوست رنگدانه اشعه لیزر را بسیار قوی تر از پوست غیر رنگدانه جذب می کند. پوست روشن تا 40 درصد از تشعشعات وارده را منعکس می کند. تحت تأثیر تابش لیزر، تعدادی از تغییرات نامطلوب در سیستم تنفسی، گوارشی، قلبی عروقی و غدد درون ریز شناسایی شد. در برخی موارد، این علائم بالینی کلی در نتیجه تأثیر بر سیستم عصبی کاملاً پایدار هستند.
اجازه دهید اثر خطرناک ترین محدوده طیفی تابش لیزر را از نظر بیولوژیکی مشخص کنیم. در ناحیه مادون قرمز، انرژی "کوتاه ترین" امواج (0.7-1.3 میکرون) می تواند تا عمق نسبتا زیادی به پوست و محیط شفاف چشم نفوذ کند. عمق نفوذ بستگی به طول موج تابش فرودی دارد. ناحیه با شفافیت بالا در طول موج های 0.75 تا 1.3 میکرومتر دارای حداکثر شفافیت در ناحیه 1.1 میکرومتر است. در این طول موج، 20 درصد انرژی که روی لایه سطحی پوست می افتد تا عمق 5 میلی متری به داخل پوست نفوذ می کند. علاوه بر این، در پوست هایی با رنگدانه بسیار، عمق نفوذ می تواند حتی بیشتر باشد. و با این وجود، پوست انسان به خوبی در برابر تشعشعات مادون قرمز مقاومت می کند، زیرا می تواند گرما را به دلیل گردش خون دفع کند و دمای بافت را به دلیل تبخیر رطوبت از سطح پایین بیاورد.
اما محافظت از چشم ها در برابر تابش مادون قرمز بسیار دشوارتر است ، گرما عملاً در آنها دفع نمی شود و عدسی که تابش را روی شبکیه متمرکز می کند ، تأثیر بیولوژیکی را افزایش می دهد. همه اینها ما را مجبور می کند هنگام کار با لیزر به محافظت از چشم توجه ویژه ای داشته باشیم. قرنیه برای تابش در محدوده طول موج 0.75-1.3 میکرون شفاف است و فقط برای طول موج های بیش از 2 میکرون عملاً مات می شود.
میزان آسیب حرارتی قرنیه به دوز جذب شده اشعه بستگی دارد و عمدتاً لایه سطحی و نازک است که آسیب می بیند. اگر در محدوده طول موج 1.2-1.7 میکرون مقدار انرژی تابش از حداقل دوز تابش بیشتر شود، ممکن است تخریب کامل لایه اپیتلیال محافظ رخ دهد. واضح است که چنین انحطاط بافت ها در ناحیه واقع در پشت مردمک به طور جدی بر وضعیت اندام بینایی تأثیر می گذارد.
باید در نظر داشت که عنبیه با رنگدانه بالا تشعشعات را از تقریباً کل محدوده مادون قرمز جذب می کند. به ویژه به شدت مستعد تأثیر تابش با طول موج 0.8-1.3 میکرون است، زیرا تابش تقریباً توسط قرنیه و مایع آبی اتاق قدامی چشم حفظ نمی شود.
حداقل مقدار چگالی انرژی تابش در محدوده طول موج 0.8-1.1 میکرون که می تواند به عنبیه آسیب برساند، 4.2 J / cm2 در نظر گرفته می شود. آسیب همزمان به قرنیه و عنبیه همیشه حاد است و بنابراین خطرناک ترین است. ده
با افزایش طول موج، جذب انرژی تابشی توسط رسانه چشم در ناحیه مادون قرمز، تابیده شده بر قرنیه، افزایش می یابد. در طول موج های 1.4-1.9 میکرون، قرنیه و محفظه قدامی چشم تقریباً تمام تشعشعات وارده را جذب می کنند و در طول موج های بالاتر از 1.9 میکرون، قرنیه تنها جاذب انرژی تشعشع می شود.
هنگام ارزیابی سطوح مجاز انرژی لیزر، باید کل اثر تولید شده بر روی محیط شفاف چشم، شبکیه و مشیمیه را در نظر گرفت. اجازه دهید تأثیر تابش لیزر بر روی شبکیه چشم را تخمین بزنیم.
هنگام پیش‌بینی احتمال خطر قرار گرفتن در معرض لیزر، باید موارد زیر را در نظر گرفت:
و غیره.................

آژانس راه آهن فدرال

بودجه ایالتی فدرال

موسسه آموزش عالی حرفه ای

"دانشگاه دولتی راه های ارتباطی مسکو"

موسسه فناوری حمل و نقل و سیستم های کنترل

بخش "فناوری مهندسی حمل و نقل و تعمیرات نورد"

چکیده

در رشته: "روش های پردازش الکتروفیزیکی و الکتروشیمیایی"

موضوع: "انواع و ویژگی های لیزر"

معرفی

اختراع لیزر یکی از برجسته ترین دستاوردهای علم و فناوری قرن بیستم است. اولین لیزر در سال 1960 ظاهر شد و توسعه سریع فناوری لیزر بلافاصله آغاز شد. در مدت زمان کوتاهی انواع مختلفی از لیزرها و دستگاه های لیزری ساخته شد که برای حل مشکلات علمی و فنی خاص طراحی شده بودند. لیزرها در بسیاری از بخش‌های اقتصاد ملی موقعیت‌های خوبی را کسب کرده‌اند. همانطور که آکادمیک A.P. الکساندروف، اکنون هر پسری کلمه لیزر را می داند ... و با این حال، لیزر چیست، چگونه جالب و مفید است؟ یکی از بنیانگذاران علم لیزر - الکترونیک کوانتومی - آکادمیسین N.G. باسوف به این سوال چنین پاسخ می دهد: لیزر وسیله ای است که در آن انرژی مانند حرارتی، شیمیایی، الکتریکی به انرژی میدان الکترومغناطیسی - پرتو لیزر - تبدیل می شود. با چنین تبدیلی، بخشی از انرژی ناگزیر از بین می رود، اما آنچه مهم است این است که انرژی لیزر حاصل از کیفیت بی نظیری بالاتر است. کیفیت انرژی لیزر با غلظت بالای آن و امکان انتقال در فاصله قابل توجهی تعیین می شود. یک پرتو لیزر را می توان به یک لکه کوچک با قطری مطابق با طول موج نور متمرکز کرد و چگالی انرژی می تواند بیشتر از چگالی انرژی انفجار هسته ای امروزی باشد.

با کمک تابش لیزر، دستیابی به بالاترین مقادیر دما، فشار و قدرت میدان مغناطیسی از قبل امکان پذیر بوده است. در نهایت، پرتو لیزر بزرگ‌ترین حامل اطلاعات است و در این نقش اساساً وسیله جدیدی برای انتقال و پردازش آن است. ... استفاده گسترده از لیزر در علم و فناوری مدرن با خواص خاص تابش لیزر توضیح داده شده است. لیزر یک مولد نور منسجم است. بر خلاف سایر منابع نور (به عنوان مثال، لامپ های رشته ای یا لامپ های فلورسنت)، لیزر تابش نوری تولید می کند که مشخصه آن درجه بالایی از نظم میدان نور، یا، همانطور که می گویند، درجه بالایی از پیوستگی است. چنین تشعشعی بسیار تک رنگ و جهت دار است. امروزه، لیزرها با موفقیت در تولید مدرن کار می کنند و با طیف گسترده ای از وظایف مقابله می کنند. آنها پارچه ها و ورق های فولادی را با پرتو لیزر برش می دهند، بدنه ماشین ها را جوش می دهند و بر روی کوچکترین قطعات تجهیزات الکترونیکی جوش می دهند، مواد شکننده و فوق سخت را سوراخ می کنند. علاوه بر این، پردازش لیزری مواد باعث افزایش کارایی و رقابت در مقایسه با سایر انواع پردازش می شود. زمینه استفاده از لیزر در تحقیقات علمی - فیزیکی، شیمیایی، بیولوژیکی - به طور مداوم در حال گسترش است.

خواص قابل توجه لیزرها - پیوستگی و جهت دهی بسیار زیاد تابش، امکان تولید امواج همدوس با شدت بالا در نواحی مرئی، مادون قرمز و فرابنفش طیف، به دست آوردن چگالی انرژی بالا هم در حالت پیوسته و هم در حالت پالسی - از قبل در سپیده دم. الکترونیک کوانتومی امکان کاربرد گسترده آنها را برای اهداف عملی نشان داد. از زمان پیدایش، فناوری لیزر با سرعت بسیار بالایی در حال توسعه بوده است. انواع جدیدی از لیزرها ظاهر می شوند و در عین حال، لیزرهای قدیمی در حال بهبود هستند: تاسیسات لیزری با مجموعه ای از ویژگی های لازم برای اهداف مختلف خاص، و همچنین انواع مختلف دستگاه های کنترل پرتو، در حال ایجاد هستند، فناوری اندازه گیری در حال بهبود است. بیشتر و بیشتر. این دلیل نفوذ عمیق لیزر در بسیاری از بخش‌های اقتصاد ملی، به‌ویژه در ماشین‌سازی و ساخت ابزار بود.

به ویژه باید توجه داشت که توسعه روش های لیزری یا به عبارت دیگر فناوری های لیزری، کارایی تولید مدرن را به میزان قابل توجهی افزایش می دهد. فناوری های لیزری امکان اتوماسیون کامل فرآیندهای تولید را فراهم می کند.

پیشرفت های تکنولوژی لیزر امروزه بسیار زیاد و چشمگیر است. فردا نوید موفقیت های بزرگ تری را می دهد. امیدهای زیادی با لیزر در ارتباط است: از ایجاد سینمای سه بعدی تا حل مشکلات جهانی مانند ایجاد ارتباطات نوری زمینی و زیر آب فوق العاده طولانی، کشف رازهای فتوسنتز، اجرای یک واکنش گرما هسته ای کنترل شده. ، ظهور سیستم هایی با ظرفیت حافظه زیاد و دستگاه های ورودی-خروجی اطلاعات با سرعت بالا.

1. طبقه بندی لیزرها

مرسوم است که بین دو نوع لیزر تمایز قائل می شود: تقویت کننده ها و ژنراتورها. در خروجی تقویت کننده، تابش لیزر زمانی ظاهر می شود که یک سیگنال ناچیز در فرکانس انتقال به ورودی آن می رسد (و خود در حال حاضر در حالت برانگیخته است). این سیگنال است که ذرات برانگیخته را برای آزاد کردن انرژی تحریک می کند. افزایش بهمن مانند رخ می دهد. بنابراین تابش ضعیفی در ورودی وجود دارد و در خروجی تقویت می شود. این در مورد ژنراتور صدق نمی کند. در ورودی آن، تابش در فرکانس انتقال دیگر تامین نمی شود، بلکه ماده فعال را تحریک می کند و علاوه بر این، بیش از حد برانگیخته می شود. علاوه بر این، اگر ماده فعال در حالت بیش از حد برانگیخته باشد، احتمال انتقال خود به خودی یک یا چند ذره از سطح بالا به پایین به طور قابل توجهی افزایش می یابد. این منجر به تولید انتشار تحریک شده می شود.

رویکرد دوم برای طبقه بندی لیزرها به وضعیت فیزیکی ماده فعال مربوط می شود. از این دیدگاه، لیزرها حالت جامد (به عنوان مثال، یاقوت، شیشه یا یاقوت کبود)، گاز (به عنوان مثال، هلیوم-نئون، آرگون، و غیره)، مایع هستند، اگر یک انتقال نیمه هادی به عنوان یک ماده فعال استفاده شود، سپس لیزر را نیمه هادی می نامند.

سومین رویکرد طبقه‌بندی به روش برانگیختگی ماده فعال مربوط می‌شود. لیزرهای زیر وجود دارد: با تحریک ناشی از تابش نوری، با تحریک توسط جریان الکترونی، با تحریک توسط انرژی خورشیدی، با تحریک ناشی از انرژی سیم های در حال انفجار، با تحریک با انرژی شیمیایی، با تحریک با تابش هسته ای. لیزرها همچنین با ماهیت انرژی ساطع شده و ترکیب طیفی آن متمایز می شوند. اگر انرژی در پالس ها ساطع شود، آنها از لیزرهای پالسی صحبت می کنند، اگر پیوسته باشند، لیزر را لیزر با تابش مداوم می نامند. همچنین لیزرهایی با حالت کار ترکیبی، به عنوان مثال، نیمه هادی وجود دارد. اگر تابش لیزر در محدوده باریکی از طول موج متمرکز شود، لیزر را تک رنگ و اگر در محدوده وسیع باشد، لیزر باند پهن نامیده می شود.

نوع دیگری از طبقه بندی بر اساس استفاده از مفهوم توان خروجی است. لیزرهایی با توان خروجی پیوسته (متوسط) بیش از 106 وات، لیزرهای پرقدرت نامیده می شوند. با توان خروجی در محدوده 105 ... 103 وات، لیزرهایی با توان متوسط ​​داریم. اگر توان خروجی کمتر از 10-3 وات باشد، در این صورت از لیزرهای کم مصرف صحبت می شود.

بسته به طراحی یک تشدید کننده آینه باز، بین لیزرهای دارای Q ثابت و لیزرهای سوئیچ Q تمایز قائل می شود - در چنین لیزری، یکی از آینه ها را می توان به ویژه بر روی محور موتور الکتریکی که می چرخد ​​قرار داد. این آینه در این حالت، ضریب Q تشدید کننده به صورت دوره ای از صفر به مقدار حداکثر تغییر می کند. چنین لیزری لیزر Q-modulated نامیده می شود.

2. ویژگی های لیزر

یکی از ویژگی های لیزر طول موج انرژی ساطع شده است. دامنه طول موج تابش لیزر از اشعه ایکس تا مادون قرمز دور، یعنی E. از 10-3 تا 102 میکرون. در پس مساحت 100 میکرون، به معنای واقعی کلمه، نهفته است، زمین بکر ... اما فقط تا یک بخش میلی متری گسترش می یابد که توسط اپراتورهای رادیویی تسلط دارد. این منطقه توسعه نیافته پیوسته در حال باریک شدن است و امید است در آینده نزدیک توسعه آن به پایان برسد. سهم قابل انتساب به انواع مختلف ژنراتورها یکسان نیست. وسیع ترین محدوده برای ژنراتورهای کوانتومی گازی.

انرژی پالس یکی دیگر از ویژگی های مهم لیزر است. این در ژول اندازه گیری می شود و به بالاترین مقدار برای ژنراتورهای حالت جامد می رسد - حدود 103 J. ویژگی سوم قدرت است. ژنراتورهای گازی که به طور مداوم ساطع می کنند دارای توان 10-3 تا 102 وات هستند. ژنراتورهایی که از مخلوط هلیوم-نئون به عنوان یک محیط فعال استفاده می کنند، توان میلی وات دارند. ژنراتورهای CO2 توانی در حدود 100 وات دارند. با ژنراتورهای حالت جامد، صحبت در مورد قدرت بسیار منطقی است. به عنوان مثال، اگر انرژی تابشی 1 ژول را در بازه زمانی یک ثانیه متمرکز کنیم، آنگاه توان 1 وات خواهد بود. اما مدت زمان تابش ژنراتور یاقوت 10-4 ثانیه است، بنابراین، قدرت 10000 وات است، یعنی. 10 کیلو وات اگر مدت زمان پالس با استفاده از شاتر نوری به 10-6 ثانیه کاهش یابد، قدرت 106 وات است، یعنی. مگاوات این حد نیست! می توانید انرژی پالس را به 103 ژول افزایش دهید و مدت زمان آن را به 10-9 ثانیه کاهش دهید و سپس قدرت به 1012 وات می رسد. و این قدرت بسیار بالایی است. مشخص است که وقتی یک فلز دارای شدت پرتو به 105 وات بر سانتی متر مربع است، فلز شروع به ذوب شدن می کند، با شدت 107 وات بر سانتی متر مربع، فلز می جوشد و در 109 وات بر سانتی متر مربع، تابش لیزر شروع به یونیزه کردن شدید بخارات می کند. ماده، تبدیل آنها به پلاسما.

یکی دیگر از ویژگی های مهم لیزر، واگرایی پرتو لیزر است. لیزرهای گازی باریک ترین پرتو را دارند. به چند دقیقه قوس می رسد. واگرایی پرتو لیزرهای حالت جامد حدود 1 ... 3 درجه زاویه ای است. لیزرهای نیمه هادی دارای دیافراگم تابش لوب هستند: در یک صفحه حدود یک درجه، در دیگری - حدود 10 ... 15 درجه زاویه ای.

یکی دیگر از ویژگی های مهم لیزر، محدوده طول موجی است که تابش در آن متمرکز می شود، به عنوان مثال. تک رنگی لیزرهای گازی تک رنگی بسیار بالایی دارند، 10-10 است، یعنی. به طور قابل توجهی بالاتر از لامپ های تخلیه گاز، که قبلا به عنوان استاندارد فرکانس استفاده می شد. لیزرهای حالت جامد و به ویژه لیزرهای نیمه رسانا، دارای محدوده فرکانسی قابل توجهی در تابش خود هستند، یعنی خیلی تک رنگ نیستند.

یکی از ویژگی های بسیار مهم لیزرها کارایی آن است. در حالت جامد، از 1 تا 3.5٪، در گاز 1 ... 15٪، در نیمه هادی 40 ... 60٪ است. در عین حال، تمام اقدامات ممکن برای افزایش راندمان لیزرها انجام می شود، زیرا راندمان پایین منجر به نیاز به خنک کردن لیزرها تا دمای 4 ... 77 K می شود و این بلافاصله طراحی تجهیزات را پیچیده می کند.

2.1 لیزرهای حالت جامد

لیزرهای حالت جامد به دو دسته لیزر پالسی و cw تقسیم می شوند. در بین لیزرهای پالسی، دستگاه‌های مبتنی بر شیشه یاقوت و نئودیمیم رایج‌تر هستند. طول موج لیزر نئودیمیم l = 1.06 میکرومتر است. این دستگاه ها میله های نسبتا بزرگی هستند که طول آنها به 100 سانتی متر و قطر آنها 5-4 سانتی متر می رسد.انرژی پالس تولید چنین میله ای 1000 ژول برای 10-3 ثانیه است.

لیزر یاقوتی نیز با قدرت پالس بالا متمایز می شود و با مدت زمان 10-3 ثانیه انرژی آن به صدها جی می رسد. نرخ تکرار پالس می تواند به چندین کیلوهرتز برسد.

معروف ترین لیزرهای موج پیوسته بر روی فلوریت کلسیم با ترکیبی از دیسپروزیم و لیزرهای روی گارنت ایتریوم-آلومینیوم ساخته می شوند که در آن ناخالصی های اتم های فلزات کمیاب وجود دارد. طول موج این لیزرها در محدوده 1 تا 3 میکرون است. توان پالس تقریباً 1 وات یا کسر آن است. لیزرهای گارنت ایتریوم-آلومینیوم راه هایی برای ارائه توان پالسی تا چند ده وات هستند.

به عنوان یک قاعده، لیزرهای حالت جامد از لیزر چند حالته استفاده می کنند. لیزر تک حالته را می توان با وارد کردن عناصر انتخابی در تشدید کننده به دست آورد. این تصمیم ناشی از کاهش قدرت تشعشعات تولید شده بود.

پیچیدگی تولید لیزرهای حالت جامد در نیاز به رشد تک بلورهای بزرگ یا ذوب نمونه های بزرگ شیشه شفاف نهفته است. این مشکلات با ساخت لیزرهای مایع، که در آن محیط فعال یک مایع است، که عناصر کمیاب خاکی در آن وارد می‌شوند، برطرف شد. با این وجود، لیزرهای مایع دارای معایبی هستند که زمینه استفاده آنها را محدود می کند.

2.2 لیزر مایع

لیزرهای مایع، لیزرهایی با محیط فعال مایع هستند. مزیت اصلی این نوع دستگاه امکان گردش مایع و بر همین اساس خنک شدن آن است. در نتیجه می توان انرژی بیشتری را در دو حالت پالسی و پیوسته به دست آورد.

اولین لیزرهای مایع بر اساس کلات های خاکی کمیاب تولید شدند. از معایب این لیزرها می توان به سطح پایین انرژی قابل دستیابی و ناپایداری شیمیایی کلات ها اشاره کرد. در نتیجه از این لیزرها استفاده نشده است. دانشمندان شوروی استفاده از مایعات فعال معدنی را در محیط لیزر پیشنهاد کردند. لیزرهای مبتنی بر آنها با انرژی های پالس بالا متمایز می شوند و نشانگرهای توان متوسط ​​را ارائه می دهند. لیزرهای مایع مبتنی بر چنین محیط فعالی قادر به تولید تابش با طیف فرکانس باریک هستند.

نوع دیگری از لیزرهای مایع دستگاه‌هایی هستند که بر روی محلول‌های رنگ‌های آلی کار می‌کنند که با خطوط لومینسانس طیفی وسیع مشخص می‌شوند. چنین لیزری قادر به تنظیم مداوم طول موج های نور ساطع شده در محدوده وسیعی است. هنگام جایگزینی رنگ ها، کل طیف مرئی و بخشی از طیف مادون قرمز پوشانده می شود. منبع پمپاژ در چنین دستگاه هایی، به طور معمول، لیزرهای حالت جامد است، اما می توان از لامپ های گازی استفاده کرد که فلاش های کوتاه نور سفید (کمتر از 50 میکرو ثانیه) را ارائه می دهند.

2.3 لیزرهای گازی

انواع زیادی وجود دارد. یکی از آنها لیزر تفکیک نوری است. از گازی استفاده می کند که مولکول های آن تحت تأثیر پمپاژ نوری به دو قسمت تجزیه می شود (تجزیه می شود) که یکی از آنها در حالت برانگیخته است و برای تابش لیزر استفاده می شود.

گروه بزرگی از لیزرهای گازی متشکل از لیزرهای تخلیه گاز هستند که در آنها محیط فعال یک گاز کمیاب است (فشار 1-10 میلی متر جیوه) و پمپاژ توسط یک تخلیه الکتریکی انجام می شود که می تواند درخشش یا قوس باشد. ایجاد شده توسط جریان مستقیم یا جریان متناوب فرکانس بالا (10 -50 مگاهرتز).

انواع مختلفی از لیزرهای تخلیه گاز وجود دارد. در لیزرهای یونی، تابش به دلیل انتقال الکترون ها بین سطوح انرژی یون ها به دست می آید. به عنوان مثال یک لیزر آرگون است که از تخلیه قوس DC استفاده می کند.

لیزرهای انتقال اتمی به دلیل انتقال الکترون بین سطوح انرژی اتم ها تولید می شوند. این لیزرها تشعشعاتی با طول موج 0.4-100 میکرون ساطع می کنند. یک نمونه لیزر هلیوم-نئون است که بر روی مخلوطی از هلیوم و نئون تحت فشار حدود 1 میلی متر جیوه عمل می کند. هنر تخلیه تابشی تولید شده توسط ولتاژ ثابت حدود 1000 ولت برای پمپاژ استفاده می شود.

لیزرهای تخلیه گاز همچنین شامل لیزرهای مولکولی هستند که در آنها تابش از انتقال الکترون ها بین سطوح انرژی مولکول ها ایجاد می شود. این لیزرها دارای محدوده فرکانس وسیعی هستند که مربوط به طول موج 0.2 تا 50 میکرومتر است.

رایج ترین لیزر دی اکسید کربن مولکولی (لیزر CO2). این می تواند قدرت تا 10 کیلو وات را تامین کند و راندمان نسبتاً بالایی دارد - حدود 40٪. ناخالصی های نیتروژن، هلیوم و سایر گازها معمولاً به دی اکسید کربن اصلی اضافه می شوند. برای پمپاژ از جریان مستقیم یا تخلیه تابش فرکانس بالا استفاده می شود. لیزر دی اکسید کربن تابشی با طول موج حدود 10 میکرون تولید می کند. به صورت شماتیک در شکل نشان داده شده است. 1.

برنج. 1 - اصل لیزر CO2

انواع لیزرهای CO2 گاز پویا هستند. در آنها، جمعیت معکوس مورد نیاز برای تابش لیزر به این دلیل به دست می آید که گاز، با فشار 20-30 اتمسفر تا 1500 کلوین پیش گرم شده، وارد محفظه کار می شود، جایی که منبسط می شود و دما و فشار آن به شدت کاهش می یابد. چنین لیزرهایی می توانند تشعشعات مداوم تا 100 کیلو وات ساطع کنند.

لیزرهای مولکولی شامل لیزرهای به اصطلاح اگزایمر هستند که در آنها محیط کار یک گاز بی اثر (آرگون، زنون، کریپتون و غیره) یا ترکیب آن با کلر یا فلوئور است. در چنین لیزرهایی، پمپاژ نه با تخلیه الکتریکی، بلکه توسط شار الکترون های به اصطلاح سریع (با انرژی صدها کو) انجام می شود. برای مثال، با لیزر آرگون 0.126 میکرومتر، کوتاهترین موج ساطع شده است.

اگر فشار گاز افزایش یابد و پمپاژ با استفاده از تشعشعات یونیزان در ترکیب با میدان الکتریکی خارجی اعمال شود، می توان قدرت تشعشع بالاتری را به دست آورد. تابش یونیزان جریانی از الکترون های سریع یا تابش فرابنفش است. چنین لیزرهایی EI یا لیزرهای گاز فشرده نامیده می شوند. لیزرهای این نوع به صورت شماتیک در شکل 1 نشان داده شده است. 2.

برنج. 2 - پمپاژ الکترویونیزاسیون

مولکول های گاز برانگیخته به دلیل انرژی واکنش های شیمیایی در لیزرهای شیمیایی تولید می شوند. از مخلوطی از گازهای فعال شیمیایی (فلوئور، کلر، هیدروژن، کلرید هیدروژن و غیره) استفاده می کند. واکنش های شیمیایی در چنین لیزرهایی باید خیلی سریع انجام شود. برای شتاب، از عوامل شیمیایی خاصی استفاده می شود که در حین تفکیک مولکول های گاز تحت تأثیر تابش نوری، یا تخلیه الکتریکی یا یک پرتو الکترونی به دست می آیند. نمونه ای از لیزر شیمیایی، لیزری است که بر پایه مخلوطی از فلوئور، هیدروژن و دی اکسید کربن ساخته شده است.

نوع خاصی از لیزر، لیزر پلاسما است. پلاسمای بسیار یونیزه شده از بخارات فلزات قلیایی خاکی (منیزیم، باریم، استرانسیوم، کلسیم) به عنوان یک محیط فعال در آن عمل می کند. برای یونیزاسیون، از پالس های جریان با قدرت تا 300 A در ولتاژ تا 20 کیلو ولت استفاده می شود. مدت زمان پالس 0.1-1.0 میکرو ثانیه است. تابش چنین لیزری دارای طول موج 0.41-0.43 میکرون است، اما می تواند در ناحیه فرابنفش نیز باشد.

2.4 لیزرهای نیمه هادی

اگرچه لیزرهای نیمه هادی حالت جامد هستند، اما مرسوم است که آنها را در یک گروه خاص تشخیص دهیم. در این لیزرها تابش همدوس به دلیل انتقال الکترون ها از لبه پایین نوار رسانایی به لبه بالایی نوار ظرفیت به دست می آید. دو نوع لیزر نیمه هادی وجود دارد. اولی دارای صفحه ای از یک نیمه هادی خالص است که در آن پمپاژ توسط پرتوی از الکترون های سریع با انرژی 50-100 کو انجام می شود. پمپاژ نوری نیز امکان پذیر است. گالیم آرسنید GaAs، سولفید کادمیوم CdS یا سلنید کادمیوم CdSe به عنوان نیمه رسانا استفاده می شود. پمپاژ با پرتو الکترونی باعث گرم شدن شدید نیمه هادی می شود که تابش لیزر را تخریب می کند. بنابراین، چنین لیزرهایی نیاز به خنک کننده خوبی دارند. به عنوان مثال، یک لیزر آرسناید گالیوم معمولاً تا دمای 80 کلوین خنک می شود.

پمپاژ پرتو الکترونی می تواند عرضی (شکل 3) یا طولی (شکل 4) باشد. تحت پمپاژ عرضی، دو وجه مخالف کریستال نیمه هادی صیقلی شده و به عنوان آینه تشدید کننده نوری عمل می کنند. در مورد پمپاژ طولی از آینه های خارجی استفاده می شود. پمپاژ طولی به طور قابل توجهی خنک کننده نیمه هادی را بهبود می بخشد. نمونه ای از این لیزرها، لیزر سولفید کادمیوم است که تابش با طول موج 0.49 میکرومتر تولید می کند و بازدهی حدود 25 درصد دارد.

برنج. 3 - پمپاژ عرضی توسط پرتو الکترونی

برنج. 4 - پمپاژ طولی توسط پرتو الکترونی

دومین نوع لیزر نیمه هادی، لیزر تزریقی است. دارای یک اتصال p-n (شکل 5) است که توسط دو نیمه هادی ناخالصی منحط تشکیل شده است، که در آن غلظت ناخالصی های دهنده و گیرنده 1018-1019 cm-3 است. لبه های عمود بر صفحه اتصال pn صیقلی شده و به عنوان آینه تشدیدگر نوری عمل می کنند. یک ولتاژ مستقیم به چنین لیزری اعمال می شود که تحت تأثیر آن مانع پتانسیل در اتصال pn کاهش می یابد و تزریق الکترون ها و سوراخ ها رخ می دهد. در ناحیه گذار، نوترکیبی شدید حامل‌های بار آغاز می‌شود، که در آن الکترون‌ها از نوار رسانایی به نوار ظرفیت عبور می‌کنند و تابش لیزر ظاهر می‌شود. آرسنید گالیم عمدتاً برای لیزرهای تزریقی استفاده می شود. تابش دارای طول موج 0.8-0.9 میکرون است، بازده بسیار بالا است - 50-60%.

برنج. 5- اصل تزریق لیزر

موج پرتو ژنراتور تقویت کننده

لیزرهای تزریقی مینیاتوری با ابعاد خطی نیمه هادی حدود 1 میلی متر توان تابش مداوم تا 10 مگاوات را ارائه می دهند و در حالت پالسی می توانند تا 100 وات قدرت داشته باشند. دستیابی به ظرفیت های بالا نیاز به خنک کننده قوی دارد.

لازم به ذکر است که لیزرها ویژگی های بسیار متفاوتی دارند. یک حفره نوری فقط در ساده ترین حالت از دو آینه موازی سطحی تشکیل شده است. همچنین از طرح های تشدید کننده پیچیده تر، با شکل متفاوت آینه ها استفاده می شود.

بسیاری از لیزرها شامل دستگاه های اضافی برای کنترل تابش هستند که در داخل حفره یا خارج از آن قرار دارند. با کمک این دستگاه ها، پرتو لیزر منحرف و متمرکز می شود، پارامترهای مختلف تابش تغییر می کند. طول موج لیزرهای مختلف می تواند 0.1-100 میکرون باشد. با تشعشعات پالسی، مدت زمان پالس ها از 10-3 تا 10-12 ثانیه متغیر است. تکانه ها می توانند تک باشند یا با سرعت تکرار تا چندین گیگاهرتز دنبال شوند. توان قابل دستیابی 109 وات برای پالس های نانوثانیه و 1012 وات برای پالس های پیکوثانیه فوق کوتاه است.

2.5 لیزرهای رنگی

لیزرهایی که از رنگ های آلی به عنوان مواد لیزری استفاده می کنند، معمولاً به صورت محلول مایع. آنها طیف سنجی لیزری را متحول کردند و نوع جدیدی از لیزرها با مدت زمان پالس کمتر از یک پیکوثانیه (لیزرهای پالس فوق کوتاه) را پیشگام کردند.

امروزه به عنوان پمپاژ، لیزر دیگری معمولاً استفاده می شود، به عنوان مثال، Nd پمپ شده با دیود: YAG، یا لیزر آرگون. یافتن لیزر رنگی با پمپ فلاش بسیار نادر است. ویژگی اصلی لیزرهای رنگی، عرض حلقه افزایش بسیار زیاد آنهاست. در زیر جدولی از پارامترهای برخی از لیزرهای رنگی آورده شده است.

دو امکان برای استفاده از چنین ناحیه کاری لیزری بزرگ وجود دارد:

تنظیم طول موجی که در آن تولید اتفاق می افتد -> طیف سنجی لیزری،

تولید همزمان در یک محدوده وسیع -> تولید پالس های فوق کوتاه.

مطابق با این دو احتمال، طراحی لیزرها نیز متفاوت است. اگر از یک طرح معمولی برای تنظیم طول موج استفاده شود، فقط بلوک‌های اضافی برای تثبیت حرارتی و انتشار تشعشع با طول موج کاملاً تعریف شده (معمولاً یک منشور، یک شبکه پراش یا طرح‌های پیچیده‌تر) اضافه می‌شود، سپس یک تنظیم بسیار پیچیده‌تر است. برای تولید پالس های فوق کوتاه لازم است. طراحی کووت با محیط فعال تغییر کرده است. با توجه به اینکه مدت زمان پالس لیزر در نهایت 100 است ÷ 30 10 15 (نور در خلاء فقط 30 را عبور می دهد ÷ 10 میکرومتر در این مدت)، وارونگی جمعیت باید حداکثر باشد، این تنها با پمپاژ بسیار سریع محلول رنگ حاصل می شود. به منظور انجام این کار، از طرح خاصی از یک کووت با جریان آزاد رنگ استفاده می شود (رنگ از یک نازل مخصوص با سرعت حدود 10 متر بر ثانیه پمپ می شود). کوتاه ترین پالس ها با استفاده از تشدید کننده حلقه به دست می آیند.

2.6 لیزر الکترون آزاد

نوعی لیزر، تابش که در آن توسط یک پرتو الکترونی تک انرژی که در یک موج‌سوز منتشر می‌شود - یک سیستم دوره‌ای از میدان‌های انحرافی (الکتریکی یا مغناطیسی) ایجاد می‌شود. الکترون ها با ایجاد نوسانات تناوبی فوتون هایی ساطع می کنند که انرژی آنها به انرژی الکترون ها و پارامترهای موج ساز بستگی دارد.

بر خلاف لیزرهای گاز، مایع یا حالت جامد، که در آن الکترون‌ها در حالت‌های اتمی یا مولکولی محدود برانگیخته می‌شوند - در FEL، منبع تابش پرتوی از الکترون‌ها در خلاء است که از یک سری آهن‌رباهای مرتب شده خاص عبور می‌کند - یک موج‌ساز (ویگلر) که باعث می شود پرتو در امتداد یک مسیر سینوسی حرکت کند و انرژی را از دست بدهد که به جریانی از فوتون تبدیل می شود. در نتیجه، تابش اشعه ایکس نرم تولید می شود که برای مثال برای مطالعه کریستال ها و سایر نانوساختارها استفاده می شود.

با تغییر انرژی پرتو الکترونی و همچنین پارامترهای موج ساز (قدرت میدان مغناطیسی و فاصله بین آهنرباها)، می توان فرکانس تابش لیزر تولید شده توسط FEL را در یک محدوده وسیع تغییر داد. برد، که تفاوت اصلی بین FEL و سایر لیزرها است. تابش تولید شده توسط FEL برای مطالعه ساختارهای نانومقیاس استفاده می شود - تجربه تصویربرداری از ذرات کوچک به اندازه 100 نانومتر وجود دارد (این نتیجه با استفاده از میکروسکوپ اشعه ایکس با وضوح حدود 5 نانومتر به دست آمد). طراحی اولین لیزر الکترون آزاد در سال 1971 توسط John M.J.Madey به عنوان بخشی از پروژه دکترای او در دانشگاه استنفورد منتشر شد. در سال 1976، مدی و همکارانش اولین آزمایش‌ها را با FEL نشان دادند که از الکترون‌هایی با انرژی 24 مگا ولت و یک تکان دهنده 5 متری برای تقویت تابش استفاده کردند.

توان لیزر 300 مگاوات و راندمان آن تنها 0.01 درصد بود، اما راندمان این دسته از دستگاه ها نشان داده شد که منجر به علاقه زیاد و افزایش شدید تعداد پیشرفت ها در زمینه FEL شد.

تدریس خصوصی

برای بررسی یک موضوع به کمک نیاز دارید؟

کارشناسان ما در مورد موضوعات مورد علاقه شما مشاوره یا خدمات آموزشی ارائه خواهند داد.
درخواست ارسال کنیدبا ذکر موضوع در حال حاضر برای اطلاع از امکان اخذ مشاوره.

وقتی دانشمندان متوجه شدند که تابش لیزر چیست، به مردم فرصت های زیادی برای تداخل سنجی داده شد. در حال حاضر، جامعه علمی روش های نسبتا دقیقی برای تعیین تخمین های کمی جابجایی ها و طول ها دارد. در ابتدا، تداخل سنج ها به طور محدود مورد استفاده قرار می گرفتند، زیرا منابع موج نور به اندازه کافی منسجم، روشن نبودند، بنابراین، تصویر در دسترس برای انسان تنها زمانی درست بود که بازوی اندازه گیری 50 سانتی متر یا کمتر بود. زمانی که استفاده از تابش لیزری با دقت بالا ممکن شد، خیلی تغییر کرده است.

هموستاتیک ها

این اصطلاح مرسوم است که به طور خلاصه خاصیت تابش لیزر را که از طریق لحیم کاری، جوشکاری بیان می شود، نشان می دهد. این فرآیند به دلیل نکروز مرتبط با درمان دما ایجاد می شود. نکروز کنترل شده با انعقاد، که با تغییر در سطح حرارت ایجاد می شود، با تشکیل یک فیلم لبه از عناصر سلول ها و بافت ها همراه است. این چندین لایه از اندام را به یک سطح متصل می کند.

کار با لیزر همیشه برای مقابله با دماهای بسیار بالا است. با توجه به این ویژگی، مایعی که به طور معمول در داخل سلول ها و بین بافت ها قرار دارد تقریباً بلافاصله تبخیر می شود و اجزای خشک می سوزند. دیستروفی با توجه به نوع تابش لیزر (خواص کمی متفاوت است) در یک نصب خاص تعیین می شود. همچنین بستگی زیادی به نوع بافت آلی فرآوری شده و مدت زمان تماس دارد. اگر لیزر جابجا شود، تبخیر را تحریک می کند که منجر به برش خطی می شود.

کیفیت های مهم

با توجه به خواص تابش لیزر، ذکر طیف تک رنگ، سطح انسجام بالا، واگرایی کم و افزایش چگالی طیف ضروری است. در مجموع، این امکان را فراهم می کند که ابزارهای با دقت بالا بر اساس لیزر، قابل اعتماد و قابل اجرا در طیف گسترده ای از شرایط اقلیمی، زمین شناسی و عوامل هیدرولوژیکی طراحی شود.

در سال های اخیر ابزارهای با دقت بالا با لیزر برای نقشه برداران طراحی شده است. آنها بر اساس خواص تابش لیزر هستند که قبلاً برای بشر شناخته شده است. استفاده از لیزر در چنین تاسیساتی نه تنها در کشور ما، بلکه در خارج از کشور نیز رواج دارد. همانطور که از عمل مشاهده می شود، برای لوله کش ها، ماشین های خاکی، سیستم های لیزری به عنوان روشی برای تعیین جهت حرکت ضروری هستند. آنها همچنین هنگام ایجاد جاده ها (راه آهن، خودرو) و بسیاری از کارهای دیگر مهم هستند.

مهم است

لیزر خود را در تشکیل ترانشه ها پیدا کرده است. با کمک یک نصب خاص، یک پرتو لیزر ایجاد می شود که مسیر را تعیین می کند. با تمرکز روی آن، فردی که بیل مکانیکی را اداره می کند می تواند به طور پایدار کار کند. بهره برداری از چنین دستگاه های مدرن ضامن عملکرد با کیفیت بالا در تمام مراحل کار و ایجاد ترانشه ها دقیقاً همانطور که در مستندات پروژه مشخص شده است.

لیزر غیر قابل تعویض است!

اگر در یک دوره مدرسه یا دانشگاه در یک کار آزمایشی به دانش آموزی این وظیفه داده شود "ویژگی های مشخصه تابش لیزر را نام ببرید"، انسجام و روشنایی اولین چیزی است که به ذهن خطور می کند. اگر لیزر و پلاسما را مقایسه کنیم، اولی چندین برابر پارامترهای روشنایی است، برای ایجاد فلاش های سریال قابل استفاده است و فرکانس می تواند به 1010 هرتز برسد. یک پالس می تواند چندین ده (در پیکوثانیه) طول بکشد. در این مورد، واگرایی کم است، می توانید فرکانس را تنظیم کنید. مشخص شد که کیفیت های مشخص شده در تاسیساتی که امکان مطالعه فرآیندهایی را که با سرعت بسیار بالایی انجام می شوند قابل استفاده است.

با توجه به ویژگی های توصیف شده، لیزرها در تجزیه و تحلیل با استفاده از فناوری طیف سنجی حرارتی ضروری شده اند.

سازه های ظریف

خواص اصلی تابش لیزر که توسط دانشمندان آشکار شد (ذکر شده در بالا) امکان استفاده از این فناوری را در توسعه سلاح های مدرن و طراحی ماشین آلات برای برش مواد مختلف فراهم کرد. اما فقط این محدود به دامنه امکانات نیست. با استفاده از روش‌های دقیق و تکنولوژیکی ساخت یک ساختار کاری، بر اساس تابش لیزر، می‌توان سیستمی برای مطالعه مولکول‌ها، ساختار و خواص آنها ایجاد کرد. با به دست آوردن آخرین اطلاعات از این طریق، دانشمندان پایه و اساس ایجاد انواع جدید لیزر را تشکیل می دهند. همانطور که از خوش بینانه ترین پیش بینی ها مشاهده می شود، در آینده ای نزدیک می توان ماهیت فتوسنتز را دقیقاً با استفاده از تابش لیزر آشکار کرد، به این معنی که دانشمندان تمام کلیدهای درک ماهیت زندگی در این سیاره را دریافت خواهند کرد. مکانیسم های تشکیل آن

شناخت جهان: اسرار و کشفیات

اعتقاد بر این است که تمام خواص اساسی تابش لیزر قبلاً بررسی شده است. دانشمندان اصول اولیه انتشار تحریک شده را می دانند و توانسته اند آنها را در عمل به کار ببرند. طیف تک رنگ تشعشع، شدت آن، طول پالس و جهت روشن از اهمیت ویژه ای برخوردار است. با توجه به این ویژگی ها، پرتو لیزر وارد یک برهمکنش غیر معمول با ماده می شود.

همانطور که فیزیکدانان علاوه بر این توجه می کنند، ویژگی های مشخص شده تابش لیزر را نمی توان ویژگی های مستقلی نامید که همه انواع پدیده ذکر شده را بدون استثنا توصیف می کند. ارتباطات خاصی بین آنها وجود دارد. به طور خاص، پیوستگی توسط جهت تابش تعیین می شود و طول پالس مستقیماً با طیف تک رنگ پرتو مرتبط است. مدت زمان، جهت تعیین کننده شدت تابش است.

اثر رامان

این پدیده یکی از موارد مهم برای ارزیابی و درک، کاربرد خواص تابش لیزر است. این اصطلاح معمولاً برای تعیین چنین شرایطی استفاده می شود که برای شروع آن تنظیم توان بالا مورد نیاز است. تحت تأثیر آن، پراکندگی زمانی رخ می دهد که یک تغییر فرکانس تابش مشاهده شود. هنگام شناسایی ویژگی های ترکیب طیفی، ارزیابی توان، می توان مشاهده کرد که فرکانس مطابق با یک الگوی نسبتا پیچیده اصلاح می شود. اگر اثر رامان به طور مصنوعی تحریک شود، می توان یک روش اصلاحی برای اپتیک سیگنال های همدوس ایجاد کرد.

این کنجکاو است

همانطور که مطالعات خواص تابش لیزر و فرآیندهایی که در ماده آغاز می کند نشان داده است، تصویر تا حد زیادی شبیه به آنچه در ساختار فرومغناطیس ها و ابررساناها مشاهده می شود است. اگر سطح پمپاژ بالاتری با استفاده از تشدید کننده درجه پایین حاصل شود، پرتوهای ساطع شده توسط لیزر هرج و مرج می شوند. در عین حال، هرج و مرج خود حالتی نورانی است که کاملاً بر خلاف آشوب ایجاد شده توسط اجسام گرما است.

دامنه استفاده در حال گسترش است

از آنجایی که تابش لیزر دارای ویژگی های زیر است: طیف تک رنگ، جهت کاملاً تعریف شده، بنابراین می توان از آن به عنوان منبع نور استفاده کرد. در حال حاضر توسعه برای بهره برداری از این فناوری برای انتقال سیگنال در حال انجام است. مشخص است که نور و ماده می توانند به گونه ای با هم تعامل داشته باشند که این فرآیند در عمل در تنظیمات مختلف قابل اجرا باشد، اما رویکردهای صحیح هنوز توسعه نیافته است. مشکلات موضعی پیشرفته، پیچیده و علمی دیگری نیز وجود دارد که برای حل آنها دیر یا زود می توان از تابش لیزر پرقدرت استفاده کرد.

ویژگی های پدیده توصیف شده امکان طراحی ابزارهای طیفی را فراهم می کند. این تا حدی با واگرایی پرتو پایین، همراه با افزایش چگالی طیف توضیح داده می شود.

فرصت های زیادی وجود دارد

همانطور که دانشمندان موفق شدند کشف کنند، برای ایجاد کارآمدترین و پرکاربردترین تاسیسات، استفاده از لیزرهایی که فرکانس آنها را می توان در حین کار تنظیم کرد منطقی است. آنها در درجه اول برای ابزارهای طیفی با وضوح افزایش یافته مرتبط هستند. در چنین تاسیساتی می توان بدون توسل به عنصر پراکنده به نتیجه تحقیقاتی صحیح دست یافت.

سیستم های مبتنی بر لیزر که فرکانس آن در حین کار تنظیم می شود، در حال حاضر در زمینه ها و حوزه های مختلف فعالیت علمی، پزشکی و صنعتی استفاده می شود. تا حد زیادی، هدف یک دستگاه خاص با ویژگی های تابش لیزر اجرا شده در آن تعیین می شود. خط تولید، وضوح طیفی، نیمه عرض عملکرد دستگاه را تعیین می کند. شکل به توزیع طیفی شدید داده شده بستگی دارد.

ویژگی های فنی

به طور معمول، لیزر به عنوان یک تشدید کننده طراحی می شود که در آن یک محیط خاص ایجاد می شود. ویژگی اصلی آن جذب منفی انرژی الکترومغناطیسی است. چنین تشدید کننده ای امکان کاهش تلفات تابش را در یک محیط تخصصی فراهم می کند. این به دلیل ایجاد یک چرخه برای انرژی الکترومغناطیسی است. در این مورد، فرکانس ها فقط در یک باند باریک گرفته می شوند. این رویکرد امکان جبران تلفات انرژی ناشی از تحریک تشعشع را فراهم می کند.

استفاده از تشدید کننده برای تولید انرژی الکترومغناطیسی با ویژگی های مشخصه لیزر ضروری نیست. نتیجه همچنان منسجم خواهد بود و دارای همخوانی بالا و طیف باریک است.

درباره هولوگرافی

برای اجرای چنین فرآیندهایی، باید منبعی را در اختیار داشته باشید که تشعشع با سطح بالایی از انسجام تولید می کند. در حال حاضر، اینها دقیقاً لیزر هستند. به محض اینکه چنین تشعشعی برای اولین بار کشف شد، فیزیکدانان تقریباً بلافاصله متوجه شدند که می توان از خواص آن برای تحقق هولوگرافی استفاده کرد. این امر انگیزه ای برای کاربرد عملی گسترده فناوری امیدوارکننده شد.

درباره برنامه

به محض اختراع لیزرها، به عنوان جامعه علمی و سپس کل جهان، آنها را به عنوان یک راه حل منحصر به فرد برای هر مشکلی قدردانی کردند. این به دلیل ویژگی های تابش است. در حال حاضر، لیزرها در فناوری، علم، در حل بسیاری از کارهای روزمره استفاده می شوند: از پخش موسیقی تا خواندن کدها هنگام فروش کالا. صنعت از چنین سیستم هایی برای لحیم کاری، برش، جوشکاری استفاده می کند. با توجه به توانایی رسیدن به دماهای بسیار بالا، امکان جوشکاری موادی وجود دارد که خود را به تکنیک های کلاسیک اتصال نمی دهند. به عنوان مثال، این امکان ایجاد اجسام جامد از قطعات سرامیکی و فلزی را فراهم می کند.

با استفاده از تکنولوژی روز می توان پرتو لیزر را طوری متمرکز کرد که قطر نقطه به دست آمده را برحسب میکرون تخمین زد. این اجازه می دهد تا این فناوری در دستگاه های الکترونیکی میکروسکوپی اعمال شود. این قابلیت در حال حاضر به عنوان خط نویسی شناخته می شود.

کجای دیگر؟

لیزرها به دلیل ویژگی های منحصر به فرد خود به طور فعال در صنعت برای ایجاد پوشش استفاده می شوند. این به افزایش مقاومت در برابر سایش انواع محصولات و مواد کمک می کند. علامت گذاری و حکاکی لیزری کمتر مرتبط نیستند - با کمک یک نصب مدرن، تقریباً هر سطحی را می توان به این روش پردازش کرد. این تا حد زیادی به دلیل عدم تأثیر مستقیم مکانیکی است، یعنی فرآیند کار تغییر شکل کمتری نسبت به هر روش رایج دیگری ایجاد می کند. سطح مدرن توسعه فناوری و علم به گونه ای است که می توان تمام مراحل کار با لیزر را به طور کامل خودکار کرد و در عین حال سطح کارایی بالا و افزایش دقت در اجرای کار را حفظ کرد.

تکنولوژی و تکنولوژی

در سال های اخیر، سیستم های لیزری با رنگ به طور گسترده ای مورد استفاده قرار گرفته اند. آنها تابش تک رنگ با طول موج های مختلف تولید می کنند، پالس ها در 10-16 ثانیه تخمین زده می شوند. قدرت چنین تاسیساتی بسیار زیاد است و پالس های تولید شده غول پیکر تخمین زده می شوند. این امکان به ویژه برای طیف سنجی و تحقیقات در اپتیک برای اثرات نسبتا غیر خطی مهم است.

استفاده از لیزر به فناوری اساسی برای ارزیابی دقیق فاصله بین سیاره ما و نزدیکترین جرم آسمانی - ماه تبدیل شده است. دقت اندازه گیری - تا سانتی متر. مکان یابی با استفاده از لیزر به شما امکان می دهد دانش نجومی را افزایش دهید، ناوبری در فضا را روشن کنید، پایگاه داده در مورد ویژگی های جو و سیارات منظومه ما از چه چیزی ساخته شده اند را افزایش دهید.

شیمی کنار نماند

فن آوری لیزر مدرن برای شروع واکنش های شیمیایی و مطالعه چگونگی ادامه آنها استفاده می شود. با استفاده از چنین قابلیت هایی، می توان با دقت بسیار زیادی محل، دوز، عقیمی را شناسایی کرد تا شاخص های انرژی لازم را در لحظه شروع به کار سیستم ارائه دهد.

دانشمندان به طور فعال بر روی تشکیل سیستم های خنک کننده لیزری کار می کنند و در حال توسعه امکان استفاده از چنین تشعشعی برای کنترل واکنش های گرما هسته ای هستند.

طراحی لیزر و خواص انتشار تحریک شده تفاوت بین تابش لیزر و تابش منابع نور معمولی را تعیین می کند. تابش لیزر (LR) با مهمترین ویژگی های زیر مشخص می شود.

1. انسجام بالا.تشعشع است بسیار منسجم،که به دلیل خواص انتشار تحریک شده است. در این حالت، نه تنها انسجام زمانی، بلکه فضایی نیز اتفاق می‌افتد: اختلاف فاز در دو نقطه از صفحه عمود بر جهت انتشار ثابت می‌ماند (شکل A) (به دلیل انسجام فضایی، تابش می‌تواند در یک نقطه بسیار متمرکز شود. حجم کم).

2. تک رنگی.تابش لیزر در بسیار تک رنگ،یعنی حاوی امواجی با فرکانس تقریباً یکسان است (فوتون ها انرژی یکسانی دارند). این به دلیل این واقعیت است که انتشار تحریک شده با تکثیر فوتون ها همراه است (هر فوتون القایی کاملاً شبیه فوتون اصلی است). در این حالت یک موج الکترومغناطیسی با فرکانس ثابت تشکیل می شود. عرض خط طیفی 0.01 نانومتر است. در شکل c یک مقایسه شماتیک از عرض خط یک پرتو لیزر و یک پرتو نور معمولی است.

قبل از ظهور لیزرها، به کمک ابزارهایی - تک رنگ که فواصل طیفی باریک (باندهای طول موج باریک) را از طیف پیوسته جدا می کنند، می توان تابش با درجه خاصی از تک رنگی را به دست آورد، اما قدرت نور در چنین باندهایی کم است. .

3. قدرت بالا.لیزر می تواند قدرت بسیار بالایی از تابش تک رنگ را ارائه دهد - تا 10 5 وات در حالت پیوسته. قدرت لیزرهای پالسی چندین مرتبه بزرگتر است. اینگونه است که لیزر نئودیمیم یک پالس با انرژی تولید می کند E= 75 J، مدت آن تی= 3 · 10-12 ثانیه. قدرت پالس است آر= E/t= 2.5 10 13 W (برای مقایسه: قدرت نیروگاه برق آبی آر~ 10 9 وات).

4. شدت بالا.در لیزرهای پالسی، شدت تابش لیزر بسیار زیاد است و می تواند برسد من= 10 14 -10 16 W / cm 2 (شدت نور خورشید را در نزدیکی سطح زمین مقایسه کنید من= 0.1 W / cm 2).

5. روشنایی بالا.برای لیزرهایی که در محدوده مرئی کار می کنند، روشناییتابش لیزر (شدت نور در واحد سطح) بسیار زیاد است. حتی ضعیف ترین لیزرها دارای روشنایی 10 15 cd / m2 هستند (برای مقایسه: روشنایی خورشید L~ 10 9 سی دی / متر مربع).

6. فشار.پرتو لیزر هنگام سقوط بر روی سطح دارای فشار (p).با جذب کامل تابش لیزری عمود بر سطح، فشار ایجاد می شود آر= من/ s، کجا من- شدت تابش، با- سرعت نور در خلاء در بازتاب کلی، فشار دو برابر بیشتر است. در شدت من= 10 14 وات / سانتی متر 2 = 10 18 وات / متر مربع، آر= 3.3 10 9 Pa = 33000 اتمسفر.

7. زاویه واگرایی کوچک در پرتو. تطبیق.تشعشع است هماهنگ شده،یعنی تمام پرتوهای پرتو تقریباً موازی یکدیگر هستند (شکل 6). در یک مسافت طولانی، قطر پرتو لیزر فقط اندکی افزایش می یابد (برای اکثر لیزرها، زاویه واگرایی 1 دقیقه قوس یا کمتر است). از آنجایی که زاویه واگرایی کوچک است، شدت پرتو لیزر با فاصله ضعیف کاهش می یابد. شارپ بودن این امکان را فراهم می کند که سیگنال ها را در فواصل دور با افت کمی از شدت آن ها ارسال کنید.

8. قطبی شدنتابش لیزر به طور کامل قطبی شده