Реферат: Промышленное применение лазеров
Промышленное применение лазеров.
В настоящее время области применениялазеров расширяются с каждым днем. После первого промышленного использованиялазеров для получения отверстий в рубинах для часов эти устройства успешно применяютсяв самых различных областях .
Мечтатели и фантасты неоднократнопредсказывали появления необыкновенных вещей, в частности луча, отличающегосянеобыкновенными свойствами. И вот, в 1960г. первый лазерный луч был полученпри накачке маленького кубического кристалла рубина вспышками света. Нескольколет спустя некоторые физики проводили испытания по сварке, бурению,гравированию, скрайбированию, сверлению, синтезу, закаливанию, маркированию,плавлению и формированию структур с помощью лазерного луча без контакта сматериалом.
Лазерные системы делятся на триосновные 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 этот кристалл имеетвысокий порог генерации и следовательно низкий КПД, обычно 0.5%. Его выходнаямощность также сильно зависит от рабочей температуры, что ограничивает частотуповторения импульсов величиной 10 Гц или менее. В то же время этот материалтермически стоек и не боится перегрева. Однако его широкое применениеограничивает достаточно высокая стоимость специально выращенного кристалла,особенно если требуется стержень больших размеров. Поэтому рубиновые лазерыприменяются когда необходимо излучение длиной волны 694 нм или не требуетсявысокая энергия на выходе и КПД не играет существенной роли. Например, такиелазеры стали широко использоваться для специальной фотографии — голографии,после того, как удалось добиться достаточной чувствительности пленки на частоте694 нм. Эти лазеры более удобны и для пробивки очень точных отверстий,так как с уменьшением длины волны размеры точки фокуса, ограничивающийсядифракцией, уменьшаются. Не так давно некоторые ученые предсказывали, чторубиновый лазер скоро отслужит свой срок. Однако в настоящее время полупроводниковыеприборы на арсениде галлия (GaAs) могут свариваться с тугоплавкимиметаллическими проводниками с помощью импульсного рубинового лазера. Процессдлится 100 нс вместо 5-30 мин, которые требуются при обычной сварке споследующим отжигом. Это важное достижение применяется в электронныхсистемах, используемых в спутниковой связи, реактивных двигателях,геотермальных скважинах, атомных реакторах, приемниках радиолокационных станцийи ракет, интегральных микроволновых цепях.
ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ЛАЗЕРЫ на люминесцирующих средах. Это лазеры настеклах, 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 практически независит 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. Существует несколькосмесей газов, которые могут испускать вынужденное излучение. Один из газов — двуокись углерода — применяется в N2 — СО2- и СО — лазерах мощностью >15 кВт. с поперечнойнакачкой электрическим разрядом. А также газодинамические лазеры с тепловойнакачкой, у которых основная рабочая смесь: N2+CO2+He или N2+CO2+H2O.Рассмотрим некоторые возможности применения таких лазеров промышленныхустановках.
Известна термическая обработкаматериалов и деталей обычными средствами. Предварительный подогрев сиспользованием газовых лазеров позволяет обрабатывать материалы более высокойтвердости. Прямолинейные участки многокомпонентных деталей легко свариваютсягазовыми лазерами, в то время как непрямолинейные участки свариваются сиспользованием специальных поворотных зеркальных систем. Производится лазернаязакалка и заточка деталей. Применяются подобные лазеры в спектроскопии,лазерной химии, 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. Электроразрядныелазеры низкого давления на благородных газах: He-Ne, He-Xe и др. Этомаломощные системы отличаются высокой монохроматичностью и направленностью.Применяются в спектроскопии, стандартизации частоты и длины излучения, внастройке оптических систем.
Ионный аргоновый лазер — лазернепрерывного действия, генерирующий зеленый луч. Накачка осуществляетсяэлектрическим разрядом. Мощность достигает нескольких десятков Вт. Применяется вмедицине, спектроскопии, нелинейной оптике.
Эксимерные лазеры. Рабочая среда — 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. Основнойисточник энергии — химическая реакция между компонентами рабочей смеси.Возможны варианты лазеров импульсного и непрерывного действия. Они имеютширокий спектр генерации в ближней ИК — области спектра. Обладают большоймощностью непрерывного излучения и большой энергией в импульсе. Такие лазерыприменяются в спектроскопии, лазерной химии, системах контроля составаатмосферы.
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ЛАЗЕРЫ составляютсамую 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 все прочнеевходят в промышленность и быт человека.
Списоклитературы :
1)Промышленное применение лазеров. Под.ред. Г.Кёбнера, М.-1988.
2) Справочникпо лазерам, пер. с англ. А.М.Прохорова. Том 1, М.-1978.
3) Физическаяэнциклопедия. Гл.ред. А.М.Прохоров. Том 2, М.-1990.
4) Звелто О.,Принципы лазеров, пер.с англ., М.-1984.