Laser a laserové technológie

Prírodné vedy » Fyzika

Autor: Dievča ivana123
Typ práce: Poznámky
Dátum: 19.01.2014
Jazyk: Slovenčina
Rozsah: 3 862 slov
Počet zobrazení: 6 420
Tlačení: 343
Uložení: 314
Laser a laserové technológie
 
Úvod
Nasledujúci projekt sa zaoberá lasermi a využitím laserových technológií v praxi. Niektorí z nás sa prvý krát s laserom stretli v sci-fi filmoch, ale lasery sa dajú využiť aj v omnoho užitočnejších veciach. Táto technológia má široké spektrum využitia, počnúc meracími zariadeniami, informačnými technológiami, liečením rôznych chorôb, na opracovanie najtvrdších  materiálov až po obranné zariadenia a žiaľ aj ničivé zbrane. Niekedy si ani neuvedomíme, kde všade sa môžeme s nimi stretnúť a poniektorí si ani nevšimli, že sa lasery stali súčasťou nášho každodenného života. Preto náš zámer je túto polstoročia starú problematiku priblížiť širokej verejnosti. V tejto práci sa teda môžete stretnúť s históriou vzniku laserov, princípom ich fungovania, základnými vlastnosťami, s doposiaľ vyvinutými druhmi laserov a ich využitím v bežnom živote. Napriek doterajším rôznym pokusom s touto technológiou, ľudstvo ešte zatiaľ neprišlo na to, ako plne efektívne využiť potenciál tejto pokrokovej technológie. Táto téma a jej perspektíva nás zaujala natoľko, že sme sa jej začali venovať, zvolili si ju a rozhodli sa spracovať do konečnej podoby. Týmto by sme vám ju chceli teraz priblížiť a vzbudiť záujem o túto problematiku ako aj o fyziku samu o sebe.
 
1 Všeobecne o laseroch
1.1 História
Laser je vynález, ktorý slávi svoje 50. narodeniny. Vlastný názov laser vznikol ako skratka zostavená z počiatočných písmen anglického názvu „zosilnenie svetla s využitím stimulovanej emisie žiarenia (anglicky Light Amplification by means of Stimulated Emission of Radiation), starší názov MASER ( Microwave ....) 

Prvý funkčný laser bol zostrojený americkým fyzikom T. Maimanom v roku 1960. Po predchádzajúcich neúspechoch svojich kolegov sa rozhodol o miernu úpravu rubínu, ktorý bol dôležitou súčasťou najmä vďaka jeho schopnosti fotoluminiscencie. Fotoluminiscencia je fyzikálny jav, pri ktorom teleso (látka) vyžaruje väčšie množstvo svetla, než by vyžarovalo absolútne čierne teleso rovnakej teploty, vďaka elektromagnetickému žiareniu. Vyleštil koncové steny kryštálu umelého rubínu a upravil ju vrstvičkou striebra (aby fungovala ako zrkadlo). Keď potom ožiaril kryštál zeleným svetlom prenikol jedným zo zrkadiel červený lúč laserového svetla. A tak stal tvorcom prvého laseru.
No základy laseru siahajú ešte ďalej. Dokonca aj známy fyzik A. Einstein prispel k jeho vynájdeniu, teóriou o princípe indukovanej(stimulovanej) emisie v roku 1916. Lasery využívajú stimulovanú emisiu. Atómy sa zrážkami s elektrónmi dostávajú do metastabilného stavu, čo je vlastne excitovaný(nabudený) stav. V dôsledku dlhej doby života tohto je v zmesi oboch látok dostatok excitovaných atómov jednej látky, a tie zrážkami excitujú atómy druhej látky, ktoré sa potom nachádzajú v excitovanom stave s vyššou energiou . Spontánna emisia jediného fotónu pri prechode atómu druhej látky zo stavu s vyššou energiou do stavu s nižšou energiou stimuluje emisiu ďalšieho fotónu; reťazová reakcia stimulovanej emisie fotónov a ich odrazy medzi rovnobežnými zrkadlami vytvoria koherentný zväzok červeného svetla. Atómy prvej látky spontánnou emisiou  rýchlo prechádzajú zo stavu s nižšou energiou, do základného stavu s energiou E0 = 0 eV a sú pripravené na ďalšiu excitáciu. Neskôr jeho myšlienky rozvinuj aj anglický vedec P. Dirac. No potrebné výpočty dokončil až so svojimi spolupracovníkmi Charles Hard Towens, ktorý neskoršie dostal aj Nobelovu cenu za fyziku.
 
1.2 Základné vlastnosti
Laser je vlastne kvantový generátor svetla. Čiže zdroj monochromatického koherentného svetla, ktoré vznikne umiestnením zosilňovača svetla do optického rezonátora naladeného na príslušnú vlnovú dĺžku. Lasery majú všeobecne relatívne malú účinnosť. Tá sa pohybuje zväčša okolo 1% a môže dosahovať maximálne niekoľko %. Zväzok elektromagnetického žiarenia (ďalej lúč) vyžiarený laserom sa líši od svetla, ktoré produkujú iné zdroje, ako sú napr. žiarovky, žiarivky, reflektory alebo vysokovýkonné oblúkové lampy. Jedinečnosť vlastností laserového lúča sa najlepšie ukáže pri porovnaní s iným, menej jedinečným zdrojom svetla.
 
1.2.1 Monochromatičnosť
Od vlnovej dĺžky závisí Farba svetla , ako to ukazuje obrázok 1.2.1 v prílohe. Vlnová dĺžka je rozdiel medzi dvoma po sebe nasledujúcimi vlnami. Označuje sa gréckym písmenom  (lambda). Každá farba viditeľného svetla má jej charakteristickú vlnovú dĺžku. Lúč HeNe lasera je veľmi čisté červené svetlo. V podstate ide o svetlo s veľmi úzkym inter­valom vlnových dĺžok bez zvyšku červenej časti spektra. Môžeme povedať, že je skoro mo­nochromatické alebo jednofarebné. Monochromatičnosť je jedinečná vlastnosť laserového svet­la. Dokonale monochromatické svetlo by obsahovalo svetlo len jedinej vlnovej dĺžky. Laserový lúč sa tejto predstave veľmi približuje, pretože obsahuje svetlo úzkeho intervalu vlnových dĺžok. Dokonale monochromatické svetlo nedokáže vyprodukovať ani laser, ale lúč, ktorý laser pro­dukuje, sa k tomuto stavu značne približuje, na rozdiel od svetla z iných svetelných zdrojov.

1.2.2 Divergencia (rozbiehavosť)
Obrázok 1.2.2a v prílohe znázorňuje svetlo vychádzajúce zo žiarovky vo všetkých smeroch. Všetky bež­né svetelné zdroje vyžarujú svetlo takýmto spô­sobom. Napríklad automobilové reflektory ale­bo bodové svetlá sú vytvorené len optickými systémami, ktoré sústreďujú svetlo zo zdroja do úzkeho smerového lúča. Avšak takýto lúč má vždy výrazne väčšiu rozbiehavosť ako lúč produkovaný laserom.

Obrázok 1.2.2b znázorňuje vysokosmerové vlast­nosti laserového lúča. Smerovosť je charakte­ristická vlastnosť laserového lúča, ktorá spôso­buje jeho šírenie priestorom v podobe úzkeho kužeľa, ktorý sa vyznačuje veľmi malou rozbiehavosťou. Ale rovnako ako v prípade monochromatičnosti, dokonale rovnobežný lúč svetla, na ktorý sa odvolávame, vytvoriť nedokážeme. Všetky svetelné lúče, aj tie laserové, sa v priestore roz­biehajú. Ale laserové svetlo je veľmi vysoko smerové, na rozdiel od iných zdrojov, a jeho rozbiehavosť je veľmi malá. V mnohých aplikáciách sú použité optické systémy, ktoré zmen­šujú rozbiehavosť výstupného laserového lúča. Pomocou týchto optických systémov sa dá za­bezpečiť tak malá rozbiehavosť lúča, že lúč vyslaný zo Zeme vytvorí na povrchu Mesiaca kruh s priemerom asi 800 m. (vzdialenosť Mesiaca je asi 400 000 km).
 
1.2.3 Koherencia
Obrázok 1.2.3a znázorňuje paralelné vlny svetla z bežného zdroja šíriace sa priestorom. Žiadna z týchto vĺn nemá pevnú spojitosť s inou vlnou v tomto lúči. Takéto svetlo nazývame inkoherentným a myslíme tým to, že svetlo v lúči nemá žiadne vnútorné usporiadanie.
Laserový lúč nemôže byť dokonale monochromatický alebo dokonale smerový, takisto nemôže byť ani dokonale koherentný, ale v porovnaní s inými zdrojmi svetla je lase­rový lúč vysoko koherentný.  Koherentnosť znamená, že v laseri majú jeho vlny rovnakú fázu viď obr. 1.2.3b. Tieto vlny sa vyznačujú ďalekým dosahom až niekoľko sto kilometrov. Koherencia je veľmi významná vlastnosť laserového lúča a odlišuje ho od svetla z iných zdro­jov. Laser môžeme definovať ako zdroj koherentného žiarenia.
 
1.2.4 Ďalšie zaujímavé vlastnosti
Laserové svetlo je zdrojom intenzívneho žiarenia, ktorého hustotu je možné ostro fokusovať(sústrediť) do takej malej stopy, že v nej ľahko dosiahneme intenzitu 1017 W/cm2. Ďalšou vlastnosťou lasera je jeho vysoký kmitočet. Kmitočet žiarenia lasera je omnoho väčší ako doposiaľ používané kmitočty v komunikačných a podobných zariadeniach.
 
2 Princíp laseru
2.1 Súčasti lasera
Pre správnu funkčnosť lasera a jeho produkciu koharentného svetla, musí obsahovať štyri funkčné elementy ( zobrazené na obrázku 2.1) : Aktívne médium, budiaci mechanizmus, mechanizmus spätnej väzby, výstupné zrkadlo.
 
2.1.1 Aktívne médium
Pod aktívnym médiom rozumieme zmes atómov alebo molekúl, ktoré je možné vzbudiť do excitovaného stavu a tak vytvoriť inverznú populáciu, čo vlastne znamená, že väčšie množstvo častíc je v excitovanom stave ako v základnom energetickom stave. Musia byť splnené dve podmienky, aby došlo k vytvoreniu tohto stavu. Prvou podmienkou je, že atómy musia zotrvávať na vyššej energetickej hladine relatívne dlhý čas, kvôli zabezpečeniu väčšieho množstva emitovaných fotónov stimulovanou emisiou ako spontánnym vyžiarením. Druhou podmienkou je existen­cia efektívnej metódy pumpovania atómov na vyššiu energetickú hladinu a tým zabezpečenie početnejšej obsadenosti vyšších energetických hladín. Zvýšenie počtu na nižších hladi­nách má za následok znemožnenie zosilnenia emitovaného svetla pomocou stimulovanej emisie. Inými slovami, keď atómy prechádzajú z vyšších energetických hladín na nižšie, väč­šie množstvo fotónov sa vyžiari spontánnou emisiou ako emisiou stimulovanou. A tieto fotó­ny sú vyžiarené v rozličných smeroch a s rôznou fázou.

Aktívne médium si môžeme predstaviť ako optický zosilňovač. Lúč koherentného svetla vchá­dza na jednej strane do aktívneho média, kde je zosilnený stimulovanou emisiou a na opač­nej strane aktívneho média vychádza lúč zvýšenej intenzity. Aktívne médium takto zvyšuje výkon lasera.
Aktívne médium môže byť plyn, kvapalina, pevný materiál, alebo spojenie dvoch polovodi­čových materiálov. Rubínový kryštál bol aktívnym médiom prvého funkčného lasera. Kvapalné aktívne médium v laditeľných farbivových laseroch vznikne rozpustením niektorých farbív v etyl- alebo metylalkohole.

Iné aktívne médiá obsahujú rôzne typy plynov alebo ich zmesi. Lasery, ktoré obsahujú zmes hélia a neónu alebo oxid uhličitý, sú príkladom typického plynného aktívneho média. Ďalším príkladom aktívneho média sú P-N polovodičové prechody obsahujúce napr. gálium arzenid alebo gálium fosforid.
 
2.1.2 Budiaci mechanizmus
Budiaci mechanizmus je vlastne zdroj energie, ktorý budí (excituje alebo pumpuje) atómy aktívneho média z nižších hladín na vyššie, a tým vytvára populačnú inverziu. V plynových a polovodi­čových laseroch je tento budiaci mechanizmus obyčajne vytvorený elektrickým prúdom prúdiacim cez aktívne médium. Pevnolátkové a kvapalinové lasery bývajú najčastejšie budené opticky (napríklad rubínový laser). Atómy chrómu, ktoré sú obsiahnuté v rubínovom kryštáli je možné budiť pomocou svetla výkonnej xenónovej výbojky.
 
2.1.3 Mechanizmus spätnej väzby
Mechanizmus spätnej väzby vracia časť koherentného svetla pôvodne vyprodukovaného v aktívnom médiu späť do aktívneho prostredia pre ďalšie zosilnenie v stimulovanej emisii. Množstvo koherentného svetla vyprodukované stimulovanou emisiou závisí od stavu popu­lačnej inverzie a od intenzity stimulujúceho signálu. Tento mechanizmus sa obyčajne skladá z dvoch zrkadiel umiestnených na oboch koncoch aktívneho média. Tieto zrkadlá zabezpe­čujú neustále odrazy koherentného svetla cez aktívne médium.
 
2.1.4 Výstupné zrkadlo
Výstupné zrkadlo dovoľuje časti laserového svetla odrážajúceho sa medzi dvoma zrkadlami opustiť laser vo forme lúča. Jedno zo zrkadiel mechanizmu spätnej väzby býva čiastočne prie­pustné a dovoľuje časti svetla vyžiariť von. Množstvo svetla, ktoré môže prejsť výstupným zrkadlom je veľmi variabilné a závisí od typu lasera. Pohybuje sa od 1 % pri HeNe laseroch až po 80 % pri pevnolátkových laseroch.

2.2 Proces generovania
Prvým krokom je spustenie budiaceho mechanizmu lasera energia, ktorý prúdi do aktívneho média a je príčinou toho, že atómy prechádzajú zo základných stavov do stavov excitovaných. Práve v tomto momente sa začína vytvárať populačná inverzia. Niektoré excitované atómy prechádzajú spontánne naspäť na základnú energetickú hladinu a vyžiaria pritom nekoherentné fotóny s vlnovou dĺž­kou laserového svetla. Tieto fotóny sú však vyžia­rené v rôznych smeroch. Mnohé z týchto fotónov teda uniknú z aktívneho média, ale tie, ktoré sú vyžia­rené v smere osi aktívneho média vytvoria tak stimu­lovanú emisiu. Vy­produkovaný lúč po odraze od zrkadiel znovu prechádza do aktívneho prostredia. Časť tohto žia­renia po prechode cez čiastočne priepustné zrka­dlo opúšťa aktívne prostredie a vychádza v podobe laserového lúča.

Ak počet fotónov, ktoré sa odrážajú medzi zrkadlami, je v čase približne stály, aj výkon lase­ra sa v čase nemení, je konštantný. Ak sa toto množstvo znižuje, zmenšuje sa aj výkon na výstupe lasera, prípadne sa generovanie zastaví. Približná hranica, na ktorej laser začína produ­kovať lúč, závisí od miery populačnej inverzie v aktívnom prostredí a od spustenia stimulova­nej emisie. Straty výkonu v laseri vznikajú nedokonalou odrazivosťou zrkadiel, rozptylom a difrakciami pri prechode lúča aktívnym prostredím, nesprávnym nastavením zrkadiel a plánovanými stratami cez výstupné zrkadlo. Ak je množstvo vyprodukovaných fotónov väčšie ako množstvo ktoré sa „stratí", tak výkon lasera rastie. V stave, keď je produkcia fotónov v rovnováhe so stratami, pracuje laser v ustálenom stave s konštantným výstupným výkonom lúča. V impulzných laseroch dodáva budiaci mechanizmus energiu v krátkych impulzoch. Dobíja­nie aj vybíjanie energie prebieha veľmi rýchlo. Energia rýchlo dosiahne vysokú hladinu a po­tom dôjde k rýchlemu vybitiu, ktoré vyprodukuje laserový impulz. V laseroch pracujúcich kontinuálne dodáva budiaci mechanizmus konštantné množstvo energie do aktívneho prostre­dia. Systém pracuje v ustálenom stave, keď sú dodávaná a vyprodukovaná energia v rovnováhe. Výsledkom týchto pomerov je konštantný lúč na výstupe lasera.

3 Rozdelenie laserov
3.1 Prehľad
1.  Podľa aktívneho média
a)  Pevnolátkové (rubínový, Nd:YAG, Nd:sklený)
b)  Polovodičové
c)  Kvapalinové (organické farbivové)
d)  Plynové(HeNe, Ar, Kr, CO2,  N, excimerové, iónové = HeCd)
2.  Vyžarovanej vlnovej dĺžky
a)  Lasery v oblasti viditeľného svetla
b)  Ultrafialové
c)  Infračervené
d)  Röntgenové
3.  Podľa budiaceho mechanizmu
a)  Jadrovou energiou (reaktorom, jadrovým výbuchom)
b)  Chemický (fotochemickou disociáciou)
c)  Termodynamický(zahrievaníma ochladzovanímvzduchu)
d)  Optický (výbojkou, laserom, slnečným svetlom a rádioaktivitou) 
e)  Elektricky (zrážkami v el. výboji, zväzkom nabitých častíc)
 
4 Niektoré typy laserov
4.1 Opticky budené pevnolátkové lasery
V súčastnej dobe je na trhu veľký počet týchto laserov, ktoré sa odlišujú základným materiálom, aktívnymi iónmi, ktorými je základný materiál dopovaný a charakteristikami výstupného lúča. Zo všetkých vyvinutých pevnolátkových laserov majú iba niektoré z nich využitie v priemyselnom a laboratórnom prostredí. Patrí sem rubínový, Nd:YAG laser a lasery na báze neodýmom dopovaných skiel. Rovnako ako CO2 systémy, aj pevnolátkové laserové systémy sú často využívané v priemyselných aplikáciách pri spracovaní materiálov, ktoré zahŕňa vŕtanie, rezanie a popisovanie  .
 
4.1.1 Rubínové lasery
Rubínové lasery sú konštruované s Q-spínaním s rotujúcim zrkadlom alebo s rôznymi elektro-optickými zariadeniami. Výstupný výkon je 100-200 mW, impulzné šírky 3-30 ns a frekvencia 1-16 impulzov/s. Pri využití tzv. módového zámku je schopný rubínový laser vygenerovať výstupný výkon v GW s jednotlivými impulzmi v rozsahu niekoľkých ps. Na budenie rubínových laserov sa využívajú xenónové výbojky priamočiarej alebo špirálovi-tej konštrukcie. Teplo generované týmito systémami vyžadu­je chladenie vodou alebo vzduchom, aby nedošlo k poškodeniu laserovej tyčky a iných súčiastok prehriatím.

Bežné rubínové systémy však pracujú v impulzných režimoch i keď môžu pracovať aj v kontinuálnom móde. Energia obsiahnutá v impulze má hodnotu od mJ po niekoľko desiatok J a v špeciálnych prípadoch stovky J. Normálne je činnosť obmedzená na malú frekvenciu opakovania impulzov (maximálne 3 impulzy/s). Najjednoduchším príkladom využitia rubínových laserov je vŕtanie dier do diamantov. Takéto systémy majú výstupné energie o 2-4 J. Dĺžka trvania impulzov je okolo 0,5 ms a frekvencia opa­kovania je 1 impulz/s. Ďalšia zmena je napr. zatavenie tenkých medených drôtov do rubínových systémov s konečným výstupným výkonom 100 kW a frekvenciou opakovania menej ako 1 impulz/s s dobou impulzu 0,2-5 ms.    11
Iné využitie takýchto laserových systémov zahŕňa holografickú aplikáciu s rubínovými systémami, ktoré majú dlhé koherentné dĺžky (1-2 m) na vytváranie hologramov s veľkou snímanou plochou.  
 
4.2 Polovodičové diódové lasery
Výroba laserových diód je zložitý technologický proces. Obrázok 4.2 zobrazuje tri základ­né typy diód. Laserové diódy pozostávajú z PN prechodu v kryštáli arzenidu gália (GaAs), ktorý sa najčastejšie využíva na výrobu laserových diód. Ak potrebujeme dosiahnuť vyššie výkony, jednotlivé diódy sa spájajú do tzv. matíc a tým sa znásobuje ich vý­kon podľa požiadavky.  Jednotlivé diódy sú v matici zapojené sériovo. Laserové diódy našli využitie v hlasovej komunikácii, bezpečnostných systémoch, optickom prenose dát a v mnohých iných aplikáciách. Využívajú sa pri meraní vzdialeností, pri vytyčovaní v zememeračstve, v radarovej technike a v leteckej technike ako výškomery. Ich výhodou sú malé rozmery, možnosť napájania z batérií, nízka cena a možnosť zorad'ovania do radov, čím sa dosiahnu výkony niekoľkých stoviek wattov.
 
4.3 Organické farbivové lasery
Organické farbivové lasery v výstupnými vlnovými dĺžkami vo viditeľnej a infračervenej oblasti môžu pracovať v kontinuálnom alebo v impulznom režime. V súčasnosti existuje veľké množstvo farbív, ktoré vytvárajú široké spektrum možností využitia. Farbivá sú rozpustené v alkohole ( metanol, etanol ) alebo vo vode s pridaným saponátom, ktorý sa podieľa na tom, že zvyšuje efektívnosť generovania žiarenia.
 
4.4 Plynové lasery
Plynové lasery sa delia do 4 kategórií v závislosti od typu plynu použitého ako aktívne mé­dium: 1. Neutrálne atómové plynové lasery, ktoré využívajú ako aktívne médium elektricky neu­trálne atómy plynu. Najhlavnejší zástupca tejto skupiny je HeNe plynový laser.
12
  2. Iónové lasery obsahujú aktívne médium ionizovaný plyn. Najdôležitejší zá­stupcovia tohto druhu laserov sú argónové a kryptónové plynové lasery. Niektoré lasery, ako napr. hélium kadmiový (HeCd), obsahujú v aktívnom médiu kovové ióny v plyne.
  3. Aktívne médium molekulárnych laserov sa skladá z molekúl plynov. Najbežnejší molekulárny laser je C02 laser, ale poznáme aj iné molekulárne plyny ako CO, HF, OF a podobne.
  4. Každá molekula aktívneho média excimerových laserov je zložená z atómu inertné­ho plynu a atómu halogénového plynu. Patria sem zlúčeniny ako KrF a XeF.
 
4.4.1 Hélium-Neónové lasery
Najbežnejšie dostupné HeNe lasery ( obrázok 4.4.1 ) pracujú na vlnovej dĺžke 632,8 nm a súbežne môžu produkovať výkon pohybujúci sa v rozmedzí 0,5-50 mW pri vysokovýkonových systé­moch, ktoré sa najčastejšie využívajú pri holografickej interferometrii. Upravené HeNe lasery obsa­hujú zameniteľné súpravy zrkadiel na vytváranie lúča na vlnových dĺžkach 1,15 um a 3,39 um. HeNe lasery sú:
1. HeNe lúč má malú divergenciu.
2. HeNe lúč má vysokú časovú a priestorovú koherenciu.
3. HeNe lasery využívajú vstavaný modulátor.
4. HeNe plazmová trubica má dlhú životnosť oproti ostatným typom laserov.
5. Konštrukcia HeNe laserov je odolná a môže pracovať aj v nepriaznivých podmien­kach.
6. HeNe lasery sú relatívne lacné.

4.4.1.1 Princíp činnosti HeNe lasera
Výbojkou naplnenou zmesou hélia a neónu preteká prúd elektrónov, ktoré sa zrážajú s atómami He, tie sa potom zrážajú s atómami Ne a atómy neónu emitujú laserové svetlo. To sa odráža od rovnobežných zrkadiel na koncoch výbojky. Mnohonásobnými odrazmi sa zosilňuje len zväzok svetla rovnobežný s osou výbojky. Jedno zrkadlo je čiastočne priepustné a preto laserové svetlo ním prechádza a vytvára laserový zväzok

4.4.2 Hélium-Kadmiové lasery
HeCd laser je príklad iónového plynového lasera, ktorý využíva ako aktívne médium ionizované pary kovov (kadmium). HeCd laserové systémy generujú bežne kontinuálny výstupný lúč s výkonom 10-20 mW vlnovej dĺžky  441,6 nm (v modrej oblasti) a 2-3 mW na vlnovej dĺžke 325 nm (v blízkosti ultrafialovej oblasti). Výstupné vlnové dĺžky môžu byť upravené zmenou dielektricky povrchovo upravených zrkadiel. HeCd laser môže generovať lúč v ultrafialovej časti spektra. Ten sa využíva pri „mazacej" funkcii expe­rimentálnych optických zariadení využívaných na uchovávanie dát a manipuláciu s nimi.
 
4.5 Chemické lasery
Bolo vyvinutých množstvo laserov, v ktorých je populačná inverzia vytvorená pomocou che­mických reakcií. Dostávajú sa do popredia a v budúcnosti budú v hojnej miere komerčne využívané. Tieto zariadenia ponúkajú široké možnosti uplatnenia. Môžu pracovať v kontinuálnom aj impulznom režime, poskytujú vysoké výkony v oblasti infračervenej časti spektra (3-4 μm) a umožňujú fokusovaním lúča dosahovať vysokú hus­totu žiarenia, podobnú s parametrami CO2 laserov. Pracujú s vysokou pracovnou účinnosťou. Všetky chemické lasery obsahujú štyri hlavné súčasti:
1.Systém zmiešavania plynu.
2. Niektorú z metód iniciácie chemickej reakcie.
3. Optický rezonátor, v ktorom prebieha generovanie žiarenia.
4. systém na odvod odpadových plynov z priestoru rezonátora.
Zahájenie chemickej reakcie môže byť zabezpečené výbojkou (ul­trafialovou fotolýzou), elektrickým výbojom, ohrevom (plameňom alebo oblúkovým výbo­jom) alebo priamo chemickým procesom.

5 Využitie v praxi
5.1 Využitie v priemysle
1.  Zváranie, Spájkovanie
2.  Rezanie
3.  Označovanie a popisovanie
4.  Vŕtanie otvorov
5.  Uberanie materiálu
6.  Úprava povrchov
7.  Pretavenie povrchovej vrstvy
8.  Legovanie
9.  Disperzia(rozptýlenie)
10.  Výroba prototypov
11.  Trieskové obrábanie
12.  Martezinské kalenie
 
5.1.1 Zváranie
Pre zváranie laserovým lúčom sa používajú najmä CO2 lasery a Nd: YAG lasery, menej často aj vysokovýkonné diódové lasery. Pre zváranie železných materiálov  má najväčší význam CO2 laser. Laserový lúč tu možno viesť tak, aby sa dosiahla vysoká rýchlosť zvárania až 20m za minútu. Podľa výkonu lasera je možné ho využiť a na zváranie hrubých plechov. Spájanie materiálov sa zaraďuje do tavného zvárania bez silového pôsobenia. Pri zváraní je laserový lúč vedený a fokusovaný na miesto zvárania, pričom sa jeho pôsobenie obmedzuje na veľmi malú plochu. Pri niektorých typoch laseroch sa plech o hrúbke 1mm dokáže zvárať zo vzdialenosti 1 m.

5.1.2 Rezanie

Využitie lasera ako rezného nástroja je jednou z jeho hlavných aplikácií. Jeho výkon dovoľuje rezať materiály, ktoré pri použití iných rezných metód predstavujú často krát obrovské problémy.  Problémom bývajú len materiály vysokej odrazivosti, pretože pri  prvom strete s laserom, časť jeho žiarenia odrazia odrazená od povrchu bez žiadaného tepelného efektu. No časom sa zväčšuje teplota materiálu, tým sa znižuje odrazivosť a absorbovaná energia sa zvyšuje. Pri rezaní diamantu teplota v jeho okolí dosahuje až 50 000 °C.
 
5.2 Využitie vo fyzike
1.V jadrovej fyzike
2. Ako laserový urýchlovač častíc
3. Na riadenie termojadrovej reakcie
4. Na separáciu izotopov
5. Vláknová a integrovaná optika
 
5.2.1. Riadenie termojadrovej reakcie
V súčasnej dobe vzrastá dopyt po energiách a doterajšie zdroje sa do budúcnosti javia ako neefektívne. Preto je tu myšlienka využitia termojadrovej reakcie, ktorá sa dá uskutočniť jedine nekontrolovane (vodíková bomba). Pri tejto reakcií sa jadrá atómov spájajú ale musia dosiahnuť určitú aktivačnú energiu na spojenie ich jadier. Preto sa uvažuje o súčasnom  zahrievaní viacerými lasermi pričom sa teplota musí zväčšiť o 3 * 109 K . Pri súčasných pokusoch, aby nedošlo k výbuchu, sa experimentuje na reakčných doskách o veľkosti pár mikrometrov. Preto sa využívajú rôzne optické zrkadlá a šošovky. Uvažuje sa o vytvorení ochranného obalu, ktorý už nebude z kovu ale z magnetického pola, ktoré sa žiaľ zatiaľ nepriepustné nepodarilo vytvoriť.
 
5.3 Využitie v medicíne
1.  Laseroterapia rán a vredov, popálenín, jaziev,ekzémov
2.  Laseroterapia pri poruchách pohybového ústrojenstva a kĺbových porúch
3.  Laseroterapia pri poruchách zmyslových a vnútorných orgánov
4.  Operácia oka laserom
5.  V neurochirurgii
6.  V chirurgii
7.  V onkológii
8.  V stomatológii
 
5.4 Využitie vo vojenskej technike
1.  Výskum o zostrelení interkontinentálnej balistickej strely (projekt SDI)
2.  Laserové zameriavače
3.  Výskum laserových zbraní
4.  Zostrelenie vypálených projektilov
5.  Zostrelenie lietadiel
 
5.5 Využitie v každodennom živote
1.  Meracie zariadenia(laserová vodováha, merače vzdialenosti )
2.  CD, DVD, Blu-ray čítanie a napalovanie
3.  Laserové tlačiarne
4.  Telekomunikácia a optické siete
5.  Spojenie laser-mikroskop- napr. vypaľovanie mien na vlas
6.  Čítanie čiarových kódov
 
6 Bezpečnosť pri práci s laserami
Vysoká energia v lúči lasera, ktorý je často krát neviditeľný môže spôsobiť rôzne zranenia. Preto sú povinne značené dohodnutou značkou a sú kategorizované do 4 kategórií:

- lasery kategórie I – Sú relatívne neškodné. Neplatia pre ne žiadne obmedzenia a nemal by spôsobovať ani poškodenie  pri priamom pohľade do neho. Napríklad sú to lasery použité v CD prehrávačoch a čítačkách čiarového kódu. Max. výkon 0,4 mikroW.
- lasery kategórie II – Nemalo by dôjsť k poškodeniu sietnice, pretože oko sa zatvorí za 0,25s. Tento čas nestačí na poškodenie buniek zraku. Max. výkon približne 1mW.
- lasery kategórie III – Tieto lasery v spojitom režime emitujú žiarenie vo viditeľnej oblasti spektra, ktorého výkon nepresahuje 5mW, a v pulznom režime zväzok o výkone menšom než 0,5W. Pri difúznom odraze žiarenia nevznikne poškodenie zdravia.
- lasery kategórie IV – Lasery, ktoré svojimi parametrami presahujú max. hodnoty triedy III. Pri týchto laseroch aj difúzny odraz môže spôsobiť vážne poranenia vrátane popálenín– presnejšie, pri ~50 W ťažké popáleniny, od 200 W výkonu prerežú človeka napoly, od 10 kW vyššie ostane z človeka len popol.

Keď laserový lúč dopadá na ľudské telo, časť tohto žiarenia je absorbovaná telesnými tkani­vami. Ak je dopadajúca intenzita dostatočne vysoká, absorbovaná energia môže spôsobiť ich poškodenie. Dve súčasti ľudského tela sú výrazne citlivejšie na poškodenie laserovým žiare­ním. Je to pokožka a oči. Táto časť popisuje v prvom rade nebezpečenstvo poškodenia zra­ku, pretože môže byť zapríčinené veľmi malými výkonmi laserového žiarenia a poškodenie zraku je závažnejšie ako poškodenie iných častí tela.

Záver
Týmto projektom sme vás chceli oboznámiť s fascinujúcimi zariadeniami zvaných lasery, ich históriou, princípom ich činnosti, rôznymi druhmi a ich využitím v praxi. Pred bezmála päťdesiatimi rokmi ešte nik nepredpokladal, že lasery sa budú využívať v takom hojnom počte ako dnes. Môžeme sa s nimi stretnúť všade, uľahčujú nám prácu s meraním, pomáhajú vyliečiť choroby alebo skrátiť čas strávený v nemocnici a sú aj stelesnením nepredstaviteľnej sily, ktorá sa využíva aj na vojenské účely a to v podobe ochrany ale i v podobe útoku. Dnes tak všestranne využívané CD a DVD by bez laserov ani nemohli vzniknúť a bez nich by neboli ani presne vyvŕtané alebo vyrezané otvory, ktoré sú v dnešnej výpočtovej technike tak potrebné. Podľa nášho názoru len budúcnosť ukáže či vynájdenie tejto technológie bolo pre ľudstvo ako také, osožné alebo sa znova zneužije tak nechválne ako napríklad atómová bomba. Veríme, že sa vám náš projekt páčil a dozvedeli ste sa niečo nové a že sme vo vás zbudili záujem o lasery a v lepšom prípade o fyziku ako predmet samotnú.
Oboduj prácu: 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1


Založiť nové konto Pridať nový referát

Odporúčame

Prírodné vedy » Fyzika

:: KATEGÓRIE - Referáty, ťaháky, maturita:

0.015