Lazeriai

1. Lazeriai ...ir jų istorija Akmenės gimnazija 2012 Mokinys: Dalius Barakauskis 12b Mokytojas: Narimantas Žalys

2. Turinys Kas yra lazeris ------------------------------------------- 3 Lazerio istorija --------------------------------------- 4-12 Lazerio veikimas ----------------------------------- 13-24 Nuolatinė ir impulsinė veika ---------------------- 25-31 Lazerių tipai ---------------------------------------- 32-33 Pritaikymas ----------------------------------------- 34-41 Lazerių sauga --------------------------------------- 42-45 Lazeriai Lietuvoje -------------------------------------- 46 Pabaiga ------------------------------------------------- 47 Šaltiniai ------------------------------------------------- 48

3. Lazeris Lazeris – įrenginys, spinduliuojantis koherentišką šviesą. Paprastai lygiagrečiu srautu lazeris skleidžia monochromatinę (vieno bangos ilgio) šviesą.

4. Lazerių istorija Dar 1917m.Albertas Einšteinas savo straipsnyje (liet.)“Kvantinė spinduliavimo teorija” padėjo pagrindus lazerio sukūrimui. Jis iš naujo išvedė Makso Planko spinduliavimo dėsnį pasinaudodamas sugerties, spontaniško ir priverstinio spinduliavimo tikimybės koeficientų sąvokas. Šie koeficientai dabar vadinami Einšteino koeficientais.

5. Lazerių istorija 1928 m.Rudolph W. Landenburg patvirtino priverstinio spinduliavimo egzistavimą, o 1939 m. Tarybų Sąjungos mokslininkas Valentin A. Fabrikant pasiūlė priverstinį spinduliavimą naudoti trumpų bangų stiprinimui. 1947 m. Wills Lamb ir R. C. Retherford pirmą kartą pademonstravo priverstinį spinduliavimą.

7. Lazerių istorija 1952 m. Nikolajus Basovas ir Aleksanderis Prokorovas apibūdino lazerio pirmtako – mazerio – veikimo principą. Žodis „mazeris“ reiškia tą patį, kaip ir lazeris, tik raidė „m“ yra iš žodžio „microwave“ (liet. mikrobangos), t. y. mazeris generuoja ir stiprina mikrobangas.

8. Lazerių istorija Pirmą veikiantį prietaisą 1953 m. Kolumbijoje sukonstravo Charles Hard Townes, J. P.Gordon ir H. J. Zeiger. 1955 m. Basovas ir Prokorovas iškėlė optinio kaupinimo, reikalingo užpildos apgrąžai sudaryti, idėją. Tuo metu prasidėjo intensyvus tyrimai, nuvedę prie lazerio išradimo, tuomet vadinto „optiniu mazeriu“.

10. Lazerių istorija Pirmąjį veikiantį lazerį 1960 m. pademonstravo Theodore Maiman iš Hughes Research Laboratories. Jo aktyvioji terpė buvo dirbtinis rubinas, o kaupinimas vyko išlydžio lempa. Lazeris generavo 694 nanometrų bangos ilgio raudoną šviesą ir dėl trijų lygmenų sistemos veikė tik impulsine veika.

11. Lazerių istorija Lazerinio diodo idėją pasiūlė N. Basovas ir Javanas, o pirmą veikiantį prietaisą 1962 m. pademonstravo Robert N. Hall. Jis buvo pagamintas iš galio arsenido ir generavo 850 nm bangos ilgio šviesą. Pirmieji puslaidininkiniai lazeriai veikė tik atšaldyti iki skysto azoto temperatūros. Kambario temperatūroje veikiantys lazeriniai diodai išrasti 1970 m.

13. Lazerio veikimas Supaprastinta lazerio konstrukcija: 1. Aktyvioji terpė 2. Lazerio kaupinimo energija 3. Stipriai atspindintis veidrodis 4. Iš dalies skaidrus veidrodis. Kartu su (3) sudaro optinį rezonatorių. 5. Lazerio spindulys

14. Lazerio veikimas Vienos iš pagrindinių lazerio sudedamųjų dalių yra aktyvioji terpė ir optinis rezonatorius. Aktyviojoje terpėje, tam tikro dydžio, koncentracijos, formos ir grynumo medžiagoje, išorine energija generuojama ir stiprinama šviesa. Tai vadinama priverstiniu spinduliavimu. Terpei energijos suteikia išorinis energijos šaltinis, vadinamas kaupinimo šaltiniu.

15. Lazerio veikimas Aktyvioji terpė sugeria kaupinimo energiją, dėl to dalis jos dalelių (pvz., atomų) elektronų pakyla į aukštesnius energetinius lygmenis, t. y. dalelės tampa sužadintomis. Kaupinimo šaltiniu gali būti išlydžio lempa, kitas lazeris ir kt. Optinio kaupinimo metu dalelės, sąveikaudamos su šviesa, gali sugerti fotonus ir juos perspinduliuoti.

17. Lazerio veikimas Fotonų perspinduliavimas gali būti spontaniškas arba priverstinis, t. y. stimuliuotasis. Kai kaupinimo metu dalelių sužadintoje būsenoje skaičius viršija žemesnių energijos būsenų dalelių skaičių, yra pasiekiama užpildos apgrąža ir priverstiniam spinduliavimui tenkantis perspinduliuotų fotonų kiekis dėl šviesos, praeinančios aktyviąją terpę, tampa didesnis, nei tenkantis savaiminiam.

18. Lazerio veikimas Dėl šios priežasties šviesa yra stiprinama. Reikia nepamiršti, jog šiuo atveju sužadintas daleles perspinduliuoti fotonus priverčia ne tik kaupinimo šaltinio fotonai, bet jau ir pačios medžiagos perspinduliuoti ir į aktyviąją terpę optinio rezonatoriaus veidrodžių sugražinti fotonai.

19. Lazerio veikimas Spinduliuotojo galuose įtaisomi du lygiagretūs veidrodžiai: vienas atspindintis absoliučiai, kitas sąlyginai – jis “atveria” šviesai vartus, kai jos fotonų energija pasiekia pakankamą lygį. Tada ir išlekia fotonų žybsnis. Tokiu būdu išspinduliuota šviesa yra koherentiška, t. y. to paties bangos ilgio, fazės ir poliarizacijos.

20. Lazerinių diodų (LD) kaupimo miniatiūrinio kieto kūno lazerio schema. Lazerio aktyvi terpė Nd jonais legiruotas YAG kristalas, o Cr legiruotas YAG dirba kaip pasyvus absorberis.

22. Lazerio veikimas Dar vienas svarbus lazerio komponentas yra optinis rezonatorius. Juo vykdomas spinduliuojamo šviesos pluošto formavimas, galios kontroliavimas. Iš rezonatoriaus šviesa, priklausomai nuo lazerio konstrukcijos, gali būti išleidžiama nuolatiniame pastovios amplitudės ar impulsiniame režime. Impulsinio veikimo būdu galima pasiekti žymiai didesnę spinduliavimo galią.

23. Lazerio veikimas Beje, pirmuoju kvantiniu generatorium gauta ne šviesos, o “televizinė” λ = 1,27 cm. ilgio banga. Kad lazerio medžiaga įgytų spinduliavimui reikalingų energijų, reikia jį “pamaitinti” ar optiniu, ar cheminiu, ar elektrinės iškrovos, ar kitu būdu.

24. Lazerio veikimas Tačiau, jeigu jo energijos lygmenys bus keliami ta pačia energija, kurią išspinduliuoja fotonai, vyks ne tik energijos pakrovimo, bet ir išspinduliavimo procesas, ir inversinė būsena nesusikurs. Todėl lazeriams naudojama medžiaga, turinti dar trečiąjį (būna – ir ketvirtą) energijos lygmenį, nedaug mažesnį už antrąjį. Būtent, laikinai energiją paėmę į antrąjį, pamažu nušoka į trečiąjį ir ten laukia griūties momento.

25. Nuolatinė ir impulsinė veika Lazeriai gali būti konstruojami taip, jog spinduliuotų arba ilgą pastovų impulsą, arba trumpų impulsų seką. Nuolatinės ir impulsinės veikos lazerių sandara gerokai skiriasi, tačiau šviesos generavimo principas išlieka toks pat.

26. Nuolatinė veika Nuolatinės veikos režime lazerio išspinduliuojamas šviesos impulsas yra beveik pastovus laiko atžvilgiu. Užpildos apgraža, reikalinga šviesos generacijai ir stiprinimui, yra nuolat palaikoma kaupinimo šaltinio.

28. Impulsinė veika Impulsinės veikos režime išspinduliuojamas šviesos impulsas kinta laike, t. y. suformuojama trumpų šviesos impulsų vora. Tai daroma kuomet reikia sukaupti kuo daugiau energijos tam tikroje vietoje per kuo trumpesnį laiką.

29. Impulsinė lazerio veika pasiekiama keliais būdais: Modų sinchronizacija (angl. Mode-locking). Šiuo atveju lazeriuose generuojami impulsai nuo 10-9 iki 10-15 s, o galia gali siekti 1012 W. Galia tuo didesnė, kuo daugiau modų sinchronizuojama.

30. Impulsinė lazerio veika pasiekiama keliais būdais: Kokybės moduliacija (angl. Q-switching). Šis būdas įgyvendinamas į lazerio rezonatorių patalpinus tam tikrus elementus, moduliuojančius optinio rezonatoriaus kokybę. Gaunami 10-7–10-9 s trukmės ir iki 106 W galios impulsai.

31. Impulsinė lazerio veika pasiekiama keliais būdais: Impulsinis kaupinimas. Tai metodas, kai impulsinė lazerio veika gaunama impulsiniu kaupinimu. Tokio kaupinimo šaltiniu gali būti blykstė ar kitas impulsinės veikos lazeris.

32. Lazerių tipai Lazeriai yra skirstomi pagal aktyvios terpės tipą (trijų/keturių lygmenų lazeriai), lazerinio kaupinimo būdą (elektrinis/optinis) bei optinio rezonatoriaus formą (stabilūs/nestabilūs).

33. Dažniausiai sutinkamas skirstymas pagal aktyviosios terpės medžiagą: dujinius cheminius eksimerinius kietojo kūno šviesolaidinius plonojo disko puslaidininkinius dažų laisvųjų elektronų

34. Pritaikymas Lazeriai naudojami daugelyje sričių: kasdienėje buityje moksle, medicinoje, pramonėje, pramogoms, kariniais tikslais ir kt. Vienas iš pirmųjų lazerio pritaikymų kasdieniniame naudojime yra brūkšninio kodo skaitytuvas, pirmą kartą pristatytas 1974 m. 1978 m. pasirodė LaserDisc grotuvas, o 1982 m. pasirodžius kompaktinių diskų grotuvams ir vėliau – lazeriniams spausdintuvams, lazerių naudojimas įvairiose srityse ėmė smarkiai didėti.

35. Kai kurios lazerių pritaikimo sritys: Medicina:chirurgija, akių, dantų gydymas, inkstų akmenligės gydymas.

36. Pramonė:virinimas, pjaustymas, detalių žymėjimas, graviravimas, medžiagų šiluminis apdirbimas.

37. Gynyba (karo pramonė):taikinių žymėjimas, priešraketinė gynyba.

38. Kai kurios lazerių pritaikimo sritys: Moksliniai tyrimai:spektroskopija, abliacija, grūdinimas, lazerinė sklaida, skaitmeninė holografija.

39. Komercinis pritaikymas: lazeriniai spausdintuvai, CD, DVD ir kitų optinių diskų grotuvai, brūkšninio kodo skaitytuvai, hologramos ir kt.

40. Statybos:niveliavimas, statybinių mašinų valdymas ir pan.

42. Lazerių sauga Kadangi lazerio pluoštas yra didelio koherentiškumo ir mažos erdvinės skėsties, žmogaus akies ragena ir lęšiukas gali sufokusuoti spindulį į labai mažą tašką ant tinklainės. Dėl to ta vieta akimirksniu gali būti išdeginta, o padaroma žala – neištaisoma. Lazeriai pagal galią klasifikuojami į kelias saugumo klases (su poklasėm) nuo 1 (saugūs) iki 4 (net išsklaidyta šviesa gali pakenkti akims ar odai).

43. Visi 2–4 klasės lazeriai privalo būti pažymėti šiuo įspėjamuoju ženklu ir papildomu prierašu apie pavojų sveikatai.

44. Lazerių sauga Pagal senąją klasifikaciją jie žymimi nuo I iki IV, kur didesnis romėniškas skaičius žymi didesnę galimą žalą ir pavojų. Lazeriniai produktai, skirti vartotojams, pvz., CD grotuvai ar lazeriniai žymekliai dažniausiai yra 1, 2 ir 3 klasės. Kai kurie infraraudonųjų spindulių lazeriai (apytiksliai virš 1,4 mikrometro bangos ilgio) dažnai laikomi saugūs akims.

45. Lazerių sauga Taip yra dėl to, jog vidinės molekulinės vandens molekulių vibracijos smarkiai sugeria šios spektro dalies šviesą. Taigi tokio bangos ilgio lazerio pluoštas yra slopinamas ragenoje ir šviesa beveik nepasiekia tinklainės. Reikia nepamiršti, jog tai gali būti taikoma tik tam tikriems labai mažos galios lazeriams. Bet kurie kiti didelės galios ar impulsiniai infraraudonųjų spindulių lazeriai taip pat gali išdeginti akies tinklainę.

46. Lazeriai Lietuvoje Viena mokslo sričių, kurioje Lietuva pirmauja pasaulyje, yra lazerių pramonė. Lietuvoje lazerių pramonė daugiausiai orientuota į įrengimų ir prietaisų moksliniams tyrimams gamyba. Vienas moderniausių Baltijos šalyse yra Vilniaus universiteto Lazerinių tyrimų centras. Šiame centre paruošti specialistai ir jų atliekami tyrimai yra gerai žinomi pasaulyje. Lietuvoje pagaminami lazerių įrenginiai - parametriniai šviesos generatoriai ir stiprintuvai - užima apie 80 proc. pasaulinės šių lazerių gamybos rinkos. Šie lazeriai naudojami medicinos, chemijos, biologinių tyrimų srityse.

47. Pabaiga Akmenės gimnazija 2012

48. Šaltiniai http://lt.wikipedia.org/wiki/Lazeris http://ik.su.lt/~mariusbm/Kvantine/teorija/lazeriai.htm http://lt.wikipedia.org/wiki/Lazeris#Istorija