Laser a laserové technológie

Prírodné vedy » Fyzika

Autor: ivana123
Typ práce: Poznámky
Dátum: 17.01.2014
Jazyk: Slovenčina
Rozsah: 1 239 slov
Počet zobrazení: 2 397
Tlačení: 246
Uložení: 254
Laser a laserové technológie
 
Úvod
Lasery sú súčasťou každodenného života. Pomáhajú nám vo všetkých oblastiach života, častokrát zachraňujú životy, pomáhajú ľuďom na ťažkých miestach a v zložitých situáciách. Koľko ľudí však vie, ako lasery pracujú, ako vlastne vzniká lúč, ktorý kedysi v dobách jeho vynájdenia nazvali riešením hľadajúcim problém. Preto sme si vybrali Laser, aby sme sa viac oboznámili s týmto zložitým strojom a vysvetlili jeho princíp aj zopár ďalším.
 
Teoretické východiská
 
Vznik a história lasera
STIMULOVANÁ EMISIA
Všetko to začalo teóriou Alberta Einsteina. V roku 1917 publikoval prácu "Ku kvantovej mechanike žiarenia", v ktorej hovoril o stimulovanej (vynútenej alebo indukovanej) emisii. Práve tá je základom dnešného laseru.

MASER

V 40. a 50. rokoch chcel fyzik Charles Townes zostrojiť zariadenie, pomocou ktorého by mohol vytvoriť čo najkratšie vlny, aby mohol študovať molekulárne štruktúry. Podarilo sa mu vytvoriť predchodcu laseru, maser. Slovo maser pochádza z anglického "microwave amplification by stimulated emission of radiation", čo v preklade znamená kvantový generátor mikrovĺn. Technológia je podobná laseru, nevyužíva však viditeľné svetlo.
 
PRVÝ LASER
Townes a iní inžinieri verili, že je možné zostrojiť aj optický maser, zariadenie na vytváranie silných lúčov svetla. Arthura Schawlowa, fyzika spolupracujúceho s Townesom, napadlo postaviť oproti sebe dve zrkadlá, každé z nich na koniec oblasti s atómmi v excitovanom (vzbudenom) stave, tak aby sa medzi nimi svetlo pohybovalo sem a tam. Vznikol by tak jednotný, usmernený lúč svetla. Na jeseň v roku 1957 začali obaja pracovať na princípoch zariadenia, ktoré by dokázalo poskytnúť takéto krátke vlnové dĺžky.

Práca, ktorú publikovali v roku 1958 a ktorá zahŕňala základy fungovania laseru, odštartovala vlnu výskumov po celom svete. Obaja dostali za svoju prácu Nobelovu cenu. Zároveň s nimi sa touto problematikou zaoberali aj Joseph Weber, Alexander Prokhorov a Nikolaj G. Basov.
Prvý skutočný laser, ktorý dokázal vytvoriť lúč koherentného (majúceho rovnakú frekvenciu a smer kmitania) svetla, sa však podarilo zostrojiť až Theodorovi Mainmanovi v roku 1960. Použil na to syntetický rubín tvaru tehličky s oboma koncami postriebrenými. Tento jednoduchý koncept sa rokmi zdokonalil a dnešné lasery sú už oveľa výkonnejšie a presnejšie.
 
Princíp
 
Laser (skratka z angl. Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) je zdroj monochromatického koherentného svetla, ktorý vznikne umiestnením zosilňovača svetla do optického rezonátora naladeného na príslušnú vlnovú dĺžku. Prvý laser zostrojil roku 1960 Theodore Maiman. Laserový zväzok vytvoril tak, že do špeciálnej tyče z umelého rubínu vysielal záblesky obyčajného svetla. Zosilnenie svetla vzniká vďaka stimulovanej emisii. Ide vlastne o druh luminescencie, pričom elektróny z vybudených stavov neprechádzajú na základné stavy za sprievodu vyžiareného fotónu spontánne (náhodne) ale vplyvom interakcie s iným fotónom zodpovedajúcej vlnovej dĺžky. Takto vyžiarený „nový“ fotón má rovnakú frekvenciu aj fázu ako „pôvodný“ fotón. Vďaka umiestneniu do rezonátora (najčastejšie Fabry-Perotov, t.j. dve rovnobežné zrkadlá), spontánne vyžiarený fotón opakovane prechádza materiálom, vyvoláva stimulovanú emisiu a takto vznikajúce fotóny vyvolávajú ďalšiu stimulovanú emisiu - dochádza k lavínovému efektu. Pochopiteľne, spontánna emisia prebieha aj naďalej a po určitom čase môže prevážiť „balík“ fotónov pochádzajúci od iného spontánne vyžiareného fotónu. Tento čas (v jeho priemernej hodnote) udáva koherentnú dĺžku.
Niektoré druhy laserov je možné „ladiť“ (meniť vlnovú dĺžku vyžiareného svetla) v úzkom rozsahu, ak sa zabezpečí zhoda rezonančnej vlnovej dĺžky rezonátora a oblasti zosilnenia aktívnej látky.

Vlastnosti Laserového lúča
Lasery vytvárajú teda svetlo neobyčajných vlastností:
v  Laserové svetlo je vysoko monochromatické. Neónové svetlo je monochromatické v pomere1 : 106 avšak v prípade lasera ostrosť dosahuje hodnôt až 1 : 1015.
v  Laserové svetlo je vysoko koherentné, jednotlivé vlny (vlnové klbka) laserového svetla môžu byt dlhé niekoľko sto kilometrov. Koherenčná dĺžka vlnových kĺbkov obyčajnej žiarovky je spravidla menšia ako jeden meter.
v  Laserové svetlo je vysoko smerové, má malú rozbiehavosť; odchyľuje sa od presnej rovnobežnosti len v dôsledku rozptylu na výstupnej clone lasera.
v  Laserové svetlo môžeme ostro fokusovať do takej malej stopy, že v nej ľahko dosiahneme intenzitu 1017 W/cm2. Naproti tomu kyslíkovo-acetylénový plameň dosahuje intenzitu len okolo 103 W/cm2.
Rozdelenie laserov
 
Podľa aktívnej látky

- Polovodičové
- Plynové
- Kvapalinové

Ako aktívnu látku pre laser je možné použiť úplne všetko. Jedine z kovov sa principiálne nedá vyrobiť žiaden laser.

Dielektrikum

Aktívna látka je vo forme monokryštálu vhodného materiálu so zabudovanými prímesami, ktoré tvoria vhodné energetické hladiny pre čerpanie a následnú emisiu. Čerpané sú opticky, výbojkami alebo iným laserom.
Príklad: rubínový laser (historický, červené svetlo), neodýmiový laser (YAG:Nd, blízka infračervená oblasť - okolo 1000 nm).

Vláknový laser

Zvláštny druh lasera, tvorený optickým vláknom. Čerpaný obvykle polovodičovým laserom. Často sa jedná len o zosilňovač (pre zosilnenie signálu v komunikačnom vlákne bez konverzie na elektrický signál a späť).

Plyny

Aktívnou látkou je plyn čerpaný elektrickým výbojom.
Príklad: CO2 laser (vysoké výkony v ďalekej infračervenej oblasti, používaný na obrábanie v priemysle, typické výkony 3-12 kW), Ar laser (zelená farba, žiadaný pre "laserové show") Dusíkový laser. Hélium Neónový laser.
 
He-Ne laser
He-Ne laser pracuje so zmesou  hélia a neónu.  Inverzia  sa tu dosahuje medzi energetickými  hladinami neónu (laserový plyn),  hélium  má len pomocnú funkciu (obr. 6).   
 
Jeho  atómy  prechádzajú po impulze späť do základného stavu, ale mnohé atómy hélia  ostávajú  v metastabilnom  stave. Ladenými zrkadlami je možné laserovú emisiu ohraničiť na jednú čiaru. Výstupný výkon jednotlivých typov He-Ne lasera  je  podľa vlnovej  dĺžky a spôsobu stavby medzi  1 a 100 mW.  

CO2 laser
Molekula CO2 je lineárna  trojatómová molekula. Má tri základné typy kmitov: a)  symetrickú priamu osciláciu b) zalomenú osciláciu c)  asymetrickú priamu osciláciu pričom každá oscilácia vzniká zo superpozície týchto troch druhov kmitov. Pochody lasera  pri  CO2 molekule sa  odohrávajú medzi  rozličnými  rotačnými  stavmi oscilácie  v elektronickej základnej substancii. Rozštiepenie oscilačného  niveau má za následok, že sa CO2 laser dá používať na početných  čiarach v oblasti od 10600 nm a 9600 nm. CO2 lasery majú často niekoľkometrovú dĺžku. Sú schopné  vyvinúť kontinuálne  výstupné výkony a. 100 kW. Pritom dochádza k rozkladu laserového plynu, ktorý sa musí pri vysokej prúdovej rýchlosti stále nahrádzať. V pulznom  režime  sú  výkony až 200 TW pri energii jednotlivého pulzu až 100 kJ.  
 
Kvapaliny
U kvapalinových laserov (čerpaných iným laserom) je možné dosiahnuť pomerne širokú preladiteľnosť.

Polovodiče
U laserovej dióde sa jedná sa o štruktúru podobnú LED dióde, ktorá je čerpaná prechodom elektrického prúdu, s integrovaným rezonátorom tvoreným rozhraním polovodič/vzduch (príp. Braggovým reflektorom vo vertikálnom usporiadaní).

Podľa typu prevádzky
- Pulzné
- Spojité

Laserové Technológie
Vďaka vysokej koherencii a monochromatickosti je možné v laserovom lúči sústrediť veľkú energiu na malej ploche, čo je základ použitia na rezanie a vŕtanie materiálov. Napríklad kónické otvory pre ventily motorov sa dajú dnes najekonomickejšie vyrobiť laserom. Ďalšie aplikácie využívajú malú rozbiehavosť a koherentnosť - optické dátové médiá (CD, DVD, Blu-ray, magnetooptické disky), meracie aplikácie. Monochromatickosť a možnosť rýchlej modulácie je využitá v optických komunikáciách.
 
Bezpečnosť
Lasery sú nebezpečné pre vysokú koncentráciu energie v ich lúči, častokrát neviditeľnom. Sú povinne značené dohodnutou značkou a sú kategorizované do 4 kategórií:

- lasery kategórie I – sú relatívne neškodné aj pri priamom pohľade do lúča a pre ich použitie neplatia takmer žiadne obmedzenia. príkladom sú lasery použité v CD prehrávačoch a čítačkách čiarového kódu. Max. výkon 0,4 mikroW.
- lasery kategórie II – nemali by spôsobiť poškodenia oka, pretože oko sa zatvorí za 0,25s. Tento čas nestačí na poškodenie buniek zraku. Max. výkon 1mW.
- lasery kategórie III – v spojitom režime emitujú žiarenie vo viditeľnej oblasti spektra, ktorého výkon nepresahuje 5mW, a v pulznom režime zväzok o výkone menšom než 0,5W. Difúzny odraz žiarenia nespôsobuje poškodenie zdravia.
- lasery kategórie IV – svojimi parametrami presahujú max. hodnoty triedy III. Pri týchto laseroch aj difúzny odraz spôsobuje vážne poranenia vrátane popálenín

(presnejšie, pri ~50 W ťažké popáleniny, od 200 W výkonu prerežú človeka napoly, od 10 kW vyššie ostanú z človeka len dymiace topánky)
podľa všetkých známych bezpečnostných noriem musí byť PP lasera tejto triedy človeku zneprístupnený klietkou.
 
Záver :
Náš pokus o objasnenie princípu a využitia lasera sa tu končí, veríme že sa podaril a ľudia, ktorí si aj po nás prečítajú túto prácu, budú o niečo múdrejší v tom, ako tento stroj funguje. 
Oboduj prácu: 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1

Vyhľadaj ďalšie vhodné študentské práce pre tieto kľúčové slová:

#Skratka www


Odporúčame

Prírodné vedy » Fyzika

:: KATEGÓRIE - Referáty, ťaháky, maturita:

0.014