Реферат: Промышленное применение лазеров
В настоящее время областиприменения лазеров расширяются с каждым днем. После первого промышленногоиспользования лазеров для получения отверстий в рубинах для часов этиустройства успешно применяются в самых различных областях .
Мечтатели и фантастынеоднократно предсказывали появления необыкновенных вещей, в частности луча,отличающегося необыкновенными свойствами. И вот, в 1960г. первый лазерный лучбыл получен при накачке маленького кубического кристалла рубина вспышкамисвета. Несколько лет спустя некоторые физики проводили испытания по сварке,бурению, гравированию, скрайбированию, сверлению, синтезу, закаливанию,маркированию, плавлению и формированию структур с помощью лазерного лучабез контакта с материалом.
Лазерные системы делятся натри основные группы: твердотельные лазеры, газовые, среди которых особое место занимаетCO2 — лазер; и полупроводниковые лазеры. Некоторое время назадпоявились такие системы, как перестраиваемые лазеры на красителях,твердотельные лазеры на активированных стеклах.
РУБИН. В лазерах этоткристалл имеет высокий порог генерации и следовательно низкий КПД, обычно 0.5%.Его выходная мощность также сильно зависит от рабочей температуры, чтоограничивает частоту повторения импульсов величиной 10 Гц или менее. В то жевремя этот материал термически стоек и не боится перегрева. Однако его широкоеприменение ограничивает достаточно высокая стоимость специально выращенногокристалла, особенно если требуется стержень больших размеров. Поэтому рубиновыелазеры применяются когда необходимо излучение длиной волны 694 нм или нетребуется высокая энергия на выходе и КПД не играет существенной роли.Например, такие лазеры стали широко использоваться для специальной фотографии — голографии, после того, как удалось добиться достаточнойчувствительности пленки на частоте 694 нм. Эти лазеры более удобны и дляпробивки очень точных отверстий, так как с уменьшением длины волны размерыточки фокуса, ограничивающийся дифракцией, уменьшаются. Не так давно некоторыеученые предсказывали, что рубиновый лазер скоро отслужит свой срок. Однако внастоящее время полупроводниковые приборы на арсениде галлия (GaAs) могут свариватьсяс тугоплавкими металлическими проводниками с помощью импульсного рубиновоголазера. Процесс длится 100 нс вместо 5-30 мин, которые требуются при обычнойсварке с последующим отжигом. Это важное достижение применяется вэлектронных системах, используемых в спутниковой связи, реактивных двигателях,геотермальных скважинах, атомных реакторах, приемниках радиолокационных станцийи ракет, интегральных микроволновых цепях.
ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ЛАЗЕРЫ на люминесцирующихсредах. Это лазеры на стеклах, активированных неодимом (Nd: YAG), лазеры на кристаллеиттрий-литиевого флюорита, легированного эрбием (ИЛФ, Er: YAG) или их аналоги.Это лазеры с оптической накачкой. КПД не выше 5%, однако мощность практическине зависит от рабочей температуры. Так как это сравнительно дешевый материал,повышение мощности можно производить простым увеличением размера рабочегоэлемента. Эти типы лазеров применяются в лазерной спектроскопии, нелинейнойоптике, лазерной технологии: сварка, закалка, упрочнение поверхности. Лазерныестекла применяются в мощных установках для лазерного термоядерногосинтеза.
ГАЗОВЫЕ ЛАЗЕРЫ. Существуетнесколько смесей газов, которые могут испускать вынужденное излучение. Один изгазов — двуокись углерода — применяется в N2 — СО2- и СО — лазерахмощностью >15 кВт. с поперечной накачкой электрическим разрядом. А такжегазодинамические лазеры с тепловой накачкой, у которых основная рабочая смесь:N2+CO2+He или N2+CO2+H2O. Рассмотрим некоторые возможности применения такихлазеров промышленных установках.
Известна термическаяобработка материалов и деталей обычными средствами. Предварительный подогревс использованием газовых лазеров позволяет обрабатывать материалы более высокойтвердости. Прямолинейные участки многокомпонентных деталей легко свариваютсягазовыми лазерами, в то время как непрямолинейные участки свариваются с использованиемспециальных поворотных зеркальных систем. Производится лазерная закалка изаточка деталей. Применяются подобные лазеры в спектроскопии, лазернойхимии, медицине.
Установки на основе СО2 — лазеров мощностью 500 Вт успешно применяются для лазерного резания пошаблонам и раскройки сталей или пластмасс, пробивки отверстий, если ихдиаметр не слишком мал. В общем случае толщина разрезаемого материала зависитот мощности излучения. В настоящее время стоимость СО2 — лазеров не особенновысока. Стоимость газов, применяемых в СО2 — лазерах сопоставима со стоимостьюэнергии, потребляемой станками, предназначенными для пробивания отверстий.Характеристики СО2 — лазеров стабильны. Лазеры легки в управлении и безопасныпри соблюдении правил эксплуатации.
ПРОЧИЕ ГАЗОВЫЕ ЛАЗЕРЫ.Электроразрядные лазеры низкого давления на благородных газах: He-Ne, He-Xe идр. Это маломощные системы отличаются высокой монохроматичностью инаправленностью. Применяются в спектроскопии, стандартизации частоты и длиныизлучения, в настройке оптических систем.
Ионный аргоновый лазер — лазер непрерывного действия, генерирующий зеленый луч. Накачка осуществляетсяэлектрическим разрядом. Мощность достигает нескольких десятков Вт. Применяется вмедицине, спектроскопии, нелинейной оптике.
Эксимерные лазеры. Рабочаясреда — смесь благородных газов с F2, Cl2, фторидами. Возбуждаются сильноточнымэлектронным пучком или поперечным разрядом. Работают в импульсном режиме в УФ — диапазоне длин волн. Применяются для лазерного термоядерного синтеза.
Химические лазеры. Рабочая среда — смесь газов. Основной источник энергии — химическая реакция между компонентамирабочей смеси. Возможны варианты лазеров импульсного и непрерывного действия.Они имеют широкий спектр генерации в ближней ИК — области спектра. Обладаютбольшой мощностью непрерывного излучения и большой энергией в импульсе. Такиелазеры применяются в спектроскопии, лазерной химии, системах контролясостава атмосферы.
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ЛАЗЕРЫсоставляют самую многочисленную группу. Накачка осуществляется инжекцией черезгетеропереход, а также электронным пучком. Гетеролазеры миниатюрны, имеютвысокий КПД. Могут работать как в импульсном, так и в непрерывном режимах.Несмотря на низкую мощность они нашли свое применение в промышленности. Ониприменяются для спектроскопии, оптической стандартизации частоты,оптико-волоконных линий связи, для контроля формы, интерференционныхполос деформации, в оптико-электронике, в робототехнике, в системахпожаробезопасности. В быту применяются в системах оптической обработкиинформации (в сканерах) в паре с несложной системой многогранных зеркал,применяемых для отклонения луча, в звуко- и видеосистемах, в охранных системах.В последнее время полупроводниковые лазеры, благодаря своим малым размерам,применяются и в медицине. Лазеры с электронной накачкой перспективны в системахпроекционного лазерного телевидения.
С каждым годом лазеры всепрочнее входят в промышленность и быт человека.
Список литературы :
1) Промышленное применение лазеров.Под.ред. Г.Кёбнера, М.-1988.
2) Справочник по лазерам, пер. сангл. А.М.Прохорова. Том 1, М.-1978.
3) Физическая энциклопедия. Гл.ред.А.М.Прохоров. Том 2, М.-1990.
4) Звелто О., Принципы лазеров,пер.с англ., М.-1984.