Реферат: Назначение и область применения лазеров

Введение  

   Изобретение лазера стоит в одном ряду с наиболеевыдающимися достижениями науки и техники XX века. Первыйлазер появился в 1960 г., и сразу же началось бурное развитие лазерной техники.В короткое время были созданы разнообразные типы лазеров и лазерных устройств,предназначенных для решения конкретных научных и технических задач. Лазеры ужеуспели завоевать прочные позиции во многих отраслях народного хозяйства. Какзаметил академик А.П. Александров, “всякий мальчишка теперь знает слово лазер”.И все же, что такое лазер, чем он интересен и полезен? Один из основоположниковнауки о лазерах – квантовой электроники – академик Н.Г. Басов отвечает на этотвопрос так: “Лазер – это устройство, в котором энергия, например тепловая,химическая, электрическая, преобразуется в энергию электромагнитного поля –лазерный луч. При таком преобразовании часть энергии неизбежно теряется, новажно то, что полученная в результате лазерная энергия обладает несравненноболее высоким качеством. Качество лазерной энергии определяется ее высокойконцентрацией и возможностью передачи на значительное расстояние. Лазерный лучможно сфокусировать в крохотное пятнышко диаметра порядка длины световой волныи получить плотность энергии, превышающую еже на сегодняшний день плотностьэнергии ядерного взрыва… С помощью лазерного излучения уже удалось достичьсамых высоких значений температуры, давления, напряженности магнитного поля.Наконец, лазерный луч является самым емким носителем информации и в этой роли –принципиально новым средством ее передачи и обработки”. Широкое применениелазеров в современной науке и технике объясняется специфическими свойствамилазерного излучения. Лазер – это генератор когерентного света. В отличииот других источников света (например, ламп накаливания или ламп дневного света)лазер дает оптическое излучение, характеризующееся высокой степеньюупорядоченности светового поля или, как говорят, высокой степеньюкогерентности. Такое излучение отличается высокой монохроматичностью и направленностью.В наши дни лазеры успешно трудятся на современном производстве, справляясь ссамыми разнообразными задачами. Лазерным лучом раскраивают ткани и режутстальные листы, сваривают кузова автомобилей и приваривают мельчайшие детали врадиоэлектронной аппаратуре, пробивают отверстия в хрупких и сверхтвердыхматериалах. Доводка номиналов пассивных элементов микросхем и методы полученияна них активных элементов с помощью лазерного луча получили дальнейшее развитиеи применяются в производственных условиях. Причем лазерная обработка материаловпозволяет повысить эффективность и конкурентоспособность по сравнению с другимивидами обработки. В руках хирурга лазерный луч превратился в скальпель,обладающий рядом удивительных свойств. Лазеры широко используются в современныхконтрольно-измерительных устройствах, вычислительных комплексах, системахлокации и связи. Лазеры позволяют быстро и надежно контролироватьзагрязненность атмосферы и поверхности моря, выявлять наиболее нагруженныеучастки деталей различных механизмов, определять внутренние дефекты в них.Лазерный луч становится надежным помощником строителей, картографов,археологов, криминалистов. Непрерывно расширяется область применения лазеров внаучных исследованиях – физических, химических, биологических.

   Замечательные свойствалазеров – исключительно высокая когерентность и направленность излучения,возможность генерирования когерентных волн большой интенсивности в видимой,инфракрасной и ультрафиолетовой областях спектра, получение высоких плотностейэнергии как в непрерывном, так и в импульсном режиме – уже на заре квантовойэлектроники указывало на возможность широкого их применения для практическихцелей. С начала своего возникновения лазерная техника развивается исключительновысокими темпами. Появляются новые типы лазеров и одновременноусовершенствуются старые: создаются лазерные установки с необходимым дляразличных конкретных целей комплексом характеристик, а также различного родаприборы управления лучом, все более и более совершенствуется измерительнаятехника. Это послужило причиной глубокого проникновения лазеров во многиеотрасли народного хозяйства, и в частности в машино- и приборостроение.

   Значительная импульснаямощность и энергия излечения современных твердотельных и газовых лазеровпозволили вплотную подойти к решению проблем лазерной энергетики – разработкелазерного оружия для систем противоракетной обороны, управляемого термоядерногосинтеза, разделения изотопов и лучевой передачи энергии, в том числе накосмические объекты.

   Надо особо отметить, чтоосвоение лазерных методов или, иначе говоря, лазерных технологий значительноповышает эффективность современного производства. Лазерные технологии позволяютосуществлять наиболее полную автоматизацию производственных процессов.Одновременно при этом экономится сырье и рабочее время, повышается качествопродукции. Например, практически мгновенная пробивка отверстий лазернымизлучением во много раз увеличивает производительность работы сверловщика и ктому же существенно повышает качество этой работы. Лазерное изготовлениемикросхем отличается высокой производительностью и высоким качеством. В обоихпримерах производственные операции легко поддаются автоматизации; управлениелазерным лучом может взять на себя специальное вычислительное устройство. Можноуверенно утверждать, что внедрение и совершенствование лазерных технологийприведет к качественному изменению всего облика современного производства.

   Огромны и впечатляющидостижения лазерной техники сегодняшнего дня. Завтрашний день обещает еще болееграндиозные свершения. С лазерами связаны многие надежды: от создания объемногокино до решения таких глобальных проблем, как установление сверхдальнейназемной и подводной оптической связи, разгадку тайн фотосинтеза, осуществлениеуправляемой термоядерной реакции, появление систем с большим объемом памяти ибыстродействующими устройствами ввода—вывода  информации.

                                               История создания лазера

   Первые шаги на пути к лазеру. Слово “лазер” составлено из начальных букв ванглийском словосочетании Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, что в переводе на русский язык означает: усилениесвета посредством вынужденного испускания. Таким образом, в самом термине лазеротражена та фундаментальная роль процессов вынужденного испускания, которуюони играют в генераторах и усилителях когерентного света. Поэтому историюсоздания лазера следует начинать с 1917 г., когда Альберт Эйнштейн впервые ввелпредставление о вынужденном испускании. Это был первый шаг на пути к лазеру.Следующий шаг сделал советский физик В.А. Фабрикант, указавший в 1939 г. навозможность использования вынужденного испускания для усиленияэлектромагнитного излучения при его прохождении через вещество. Идея,высказанная В.А. Фабрикантом, предполагала использование микросистем синверсной заселенностью уровней. Позднее, после окончания Великой Отечественнойвойны В.А. Фабрикант вернулся к этой идее и на основе своих исследований подалв 1951 г. (вместе с М.М. Вудынским и Ф.А. Бутаевой) заявку на изобретениеспособа усиления излучения при помощи вынужденного испускания. На эту заявкубыло выдано свидетельство, в котором под рубрикой “Предмет изобретения”записано: “ Способ усиления электромагнитных излучений (ультрафиолетового,видимого, инфракрасного и радиодиапазонов волн), отличающийся тем, чтоусиливаемое излучение пропускают через среду, в которой с помощьювспомогательного излучения или другим путем создают избыточную по сравнению сравновесной концентрацию атомов, других частиц или их систем на верхнихэнергетических уровнях, соответствующих возбужденным состояниям”.

   Создание мазера. Первоначальноэтот способ усиления излучения оказался реализованным в радиодиапазоне, аточнее в диапазоне сверхвысоких частот (СВЧ диапазоне). В мае 1952 г. наОбщесоюзной конференции по радиоспектроскопии советские физики ( нынеакадемики) Н.Г. Басов и А.М. Прохоров сделали доклад о принципиальнойвозможности создания усилителя излучения в СВЧ диапазоне. Они назвали его“молекулярным генератором” ( предполагалось использовать пучок молекуламмиака). Практически одновременно предложение об использовании вынужденногоиспускания для усиления и генерирования миллиметровых волн было высказано вКолумбийском университете в США американским физиком Ч. Таунсом. В 1954 г.молекулярный генератор, названный в скоре мазером, стал реальностью. Онбыл разработан и создан независимо и одновременно в двух точках земного шара —в Физическом институте имени П.Н. Лебедева Академии наук СССР (группой подруководством Н.Г. Басова и А.М. Прохорова) и в Колумбийском университете в США( группой под руководством Ч. Таунса). В последствии от термина “мазер” ипроизошел термин “лазер” в результате замены буквы “М” (начальная буква слова Microwave – микроволновой) буквой “L” (начальная буква слова Light– свет). В основе работы как мазера, так и лазера лежит один и тот же принцип –принцип, сформулированный в 1951 г. В.А. Фабрикантом. Появление мазера означало,что родилось новое направление в науке и технике. Вначале его назвали квантовойрадиофизикой, а позднее стали называть квантовой электроникой.

   Шесть лет напряженныхисследований. Спустя десять лет после создания мазера, в 1964 г. нацеремонии, посвященной вручению Нобелевской премии, академик А.М. Прохоровсказал: “Казалось бы, что после создания мазеров в радиодиапазоне вскоре будутсозданы квантовые генераторы в оптическом диапазоне. Однако этого не случилось.Они были созданы только через 5-6 лет. Чем это объясняется? Здесь были дветрудности. Первая трудность заключалась в том, что тогда не были предложенырезонаторы для оптического диапазона длин волн, и вторая – не были предложеныконкретные системы и методы получения инверсной заселенности в оптическомдиапазоне”. Упомянутые А.М. Прохоровым шесть лет действительно были заполненытеми исследованиями, которые позволили в конечном счете перейти от мазера клазеру. В 1955 г. Н.Г. Басов и А.М. Прохоров обосновали применение методаоптической накачки для создания инверсной заселенности уровней. В 1957 г. Н.Г.Басов выдвинул идею использования полупроводников для создания квантовыхгенераторов; при этом он предложил использовать в качестве резонатораспециально обработанные поверхности самого образца. В том же 1957 г. В.А.Фабрикант и Ф.А. Бутаева наблюдали эффект оптического квантового усиления вопытах с электрическим разрядом в смеси паров ртути и небольших количествводорода и гелия. В 1958 г. А.М. Прохоров и независимо от него американскиефизики А. Шавлов и Ч. Таунс теоретически обосновали возможность примененияявления вынужденного испускания в оптическом диапазоне; они (а также американецД. Дикке) выдвинули идею применения в оптическом диапазоне не объемных (какв СВЧ диапазоне), а открытых резонаторов. Заметим, что конструктивнооткрытый резонатор отличается от объемного тем, что убраны боковые проводящиестенки (сохранены торцовые       отражатели, фиксирующие в пространстве осьрезонатора) и линейные размеры резонатора выбраны большими по сравнению сдлиной волны излучения. В 1959 г. вышла в свет работа Н.Г. Басова, Б.М. Вула,Ю.М. Попова с теоретическим обоснованием идеи полупроводниковых квантовыхгенераторов и анализом условий их создания. Наконец, в 1960 г. появиласьобстоятельная статья Н.Г. Басова, О.Н. Крохина, Ю.М. Попова, в которой быливсесторонне рассмотрены принципы создания и теория квантовых  генераторов иусилителей в инфракрасном и видимом диапазонах. В конце статьи авторы писали:”Отсутствие принципиальных ограничений позволяет надеяться на то, что вближайшее время будут созданы генераторы и усилители в инфракрасном иоптическом диапазоне волн”.

   Первые лазеры. Такимобразом, интенсивные теоретические и экспериментальные исследования в СССР иСША вплотную подвели ученых в самом конце 50-х годов к созданию лазера. Успехвыпал на долю американского физика Т. Меймана. В 1960 г. в двух научныхжурналах появилось его сообщение о том, что ему удалось получить на рубинегенерацию излучения в оптическом диапазоне. Так мир узнал о рождении первого“оптического мазера” – лазера на рубине. Первый образец лазера выгляделдостаточно скромно: маленький рубиновый кубик (1x1x1 см), две противоположные грани которого имелисеребряное покрытие (эти грани играли роль зеркал резонатора), периодическиоблучался зеленым светом от лампы-вспышки высокой мощности, которая змеейохватывала рубиновый кубик. Генерируемое излучение в виде красных световыхимпульсов испускалось через небольшое отверстие в одной из посеребренных гранейкубика. В том же 1960 г. американским физикам А. Джавану, В. Беннету, Д.Эрриоту удалось получить генерацию оптического излучения в электрическомразряде в смеси гелия и неона. Так родился первый газовый лазер,появление которого было фактически подготовлено экспериментальными исследованиямиВ.А. Фабриканта и Ф.А. Бутаевой, выполненными в 1957 г. начиная с 1961 г.,лазеры разных типов (твердотельные и газовые) занимают прочное место воптических лабораториях. Осваиваются новые активные среды, разрабатывается исовершенствуется технология изготовления лазеров. В 1962-1963 гг. в СССР и СШАодновременно создаются первые полупроводниковые лазеры. Так началсяновый, “лазерный” период оптики.                

                   Классификация лазеров и их характеристики

   Принято различать два типа лазеров: усилители игенераторы. На выходе усилителя появляется лазерное излучение, когда наего вход (а сам он уже находится в возбужденном состоянии) поступаетнезначительный сигнал на частоте перехода. Именно этот сигнал стимулируетвозбужденные частицы к отдаче энергии. Происходит лавинообразное усиление.Таким образом – на входе слабое излучение, на выходе – усиленное.

   С генератором дело обстоит иначе. На его входизлучение на частоте перехода уже не подают, а возбуждают и, более того,перевозбуждают активное вещество. Причем если активное вещество находится вперевозбужденном состоянии, то существенно растет вероятность самопроизвольногоперехода одной или нескольких частиц с верхнего уровня на нижний. Это приводитк возникновению стимулированного излучения.

   Второй подход к классификации лазеров связан сфизическим состоянием активного вещества. С этой точки зрения лазеры бывают твердотельными(например, рубиновый, стеклянный или сапфировый), газовыми (например,гелий-неоновый, аргоновый и т.п.), жидкостными, если в качествеактивного вещества используется полупроводниковый переход, то лазер называют полупроводниковым.

   Третий подход к классификации связан со способомвозбуждения активного вещества. Различают следующие лазеры: с возбуждением засчет оптического излучения, с возбуждением потоком электронов, с возбуждениемсолнечной энергией, с возбуждением за счет энергий взрывающихся проволочек, свозбуждением химической энергией, с возбуждением с помощью ядерного излучения.Различают также лазеры по характеру излучаемой энергии и ее спектральномусоставу. Если энергия излучается импульсно, то говорят об импульсных лазерах,если непрерывно, то лазер называют лазером с непрерывным излучением.Есть лазеры и со смешанным режимом работы, например полупроводниковые. Еслиизлучение лазера сосредоточено в узком интервале длин волн, то лазер называют монохроматичным,если в широком интервале, то говорят о широкополосном лазере.

   Еще один вид классификации основан на использованиипонятия выходной мощности. Лазеры, у которых непрерывная (средняя) выходнаямощность более 10^6 Вт,

называют высокомощными. При выходной мощности в диапазоне10^5…10^3 Вт имеем лазеры средней мощности. Если же выходная мощность менее10^-3 Вт, то говорят о маломощных лазерах.

   В зависимости от конструкции открытого зеркальногорезонатора различают лазеры с постоянной добротностью и лазеры смодулированной добротностью – у такого лазера одно из зеркал может бытьразмещено, в частности, на оси электродвигателя, который вращает это зеркало. Вданном случае добротность резонатора периодически меняется от нулевого домаксимального значения. Такой лазер называют лазером с Q-модуляцией.

   Одной из характеристик лазеров является длина волныизлучаемой энергии. Диапазон волн лазерного излучения простирается отрентгеновского участка до дальнего инфракрасного, т.е. от 10^-3 до 10^2 мкм. Заобластью 100 мкм лежит, образно говоря, “целина”. Но она простирается только домиллиметрового участка, который осваивается радистами.Этот неосвоенныйучасток непрерывно сужается, и есть надежда, что его освоение завершится вближайшее время. Доля, приходящаяся на различные типы генераторов, неодинакова.Наиболее широкий диапазон у газовых квантовых генераторов.

   Другой важной характеристикой лазеров является энергияимпульса. Она измеряется в джоулях и наибольшей величины достигает утвердотельных генераторов – порядка 10^3 Дж. Третьей характеристикой является мощность.Газовые генераторы, которые излучают непрерывно, имеют мощность от 10^-3 до10^2 Вт. Милливаттную мощность имеют генераторы, использующие в качествеактивной среды гелий-неоновую смесь.Мощность порядка 100 Вт имеютгенераторы на CO2. С твердотельными генераторамиразговор о мощности имеет особый смысл. К примеру, если взять излучаемуюэнергию в 1 Дж, сосредоточенную в интервале в одну секунду, то мощностьсоставит 1 Вт. Но длительность излучения генератора на рубине составляет 10^-4с, следовательно, мощность составляет 10000 Вт, т.е. 10 кВт. Если жедлительность импульса уменьшена с помощью оптического затвора до 10^-6 с,мощность составляет 10^6 Вт, т.е. мегаватт. Это не предел! Можно увеличить энергиюв импульсе до 10^3 Дж и сократить ее длительность до 10^-9 с и тогда мощностьдостигнет 10^12 Вт. А это очень большая мощность. Известно, что когда на металлприходится интенсивность луча, достигающая 10^5 Вт/см^2, то начинаетсяплавление металла, при интенсивности 10^7 Вт/см^2 – кипение металла, а при 10^9Вт/см^2 лазерное излучение начинает сильно ионизировать пары вещества, превращаяих в плазму.

   Еще одной важной характеристикой лазера является расходимостьлазерного луча. Наиболее узкий луч имеют газовые лазеры. Он составляет величинув несколько угловых минут. Расходимость луча твердотельных лазеров около 1…3угловых градусов. Полупроводниковые лазеры имеют лепестковый раскрыв излучения:в одной плоскости около одного градуса, в другой – около 10…15 угловыхградусов.

   Следующей важной характеристикой лазера является диапазондлин волн, в котором сосредоточено излучение, т.е. монохроматичность. Угазовых лазеров монохроматичность очень высокая, она составляет 10^-10, т.е.значительно выше, чем у газоразрядных ламп, которые раньше использовались какстандарты частоты. Твердотельные лазеры и особенно полупроводниковые имеют всвоем излучении значительный диапазон частот, т. е. не отличаются высокоймонохроматичностью.

Очень важной характеристикойлазеров является коэффициент полезного действия. У твердотельных онсоставляет от 1 до 3,5%, у газовых 1…15%, у полупроводниковых 40…60%. Вместе стем принимаются всяческие меры для повышения кпд лазеров, ибо низкий кпдприводит к необходимости охлаждения лазеров до температуры 4…77 К, а это сразуусложняет конструкцию аппаратуры. 

                  Областиприменения лазеров в науке и технике

Оптические методы измерения расстояний и угловхорошо известны в промышленной метрологии и геодезической службе, однако ихприменение было ограничено источниками света. Измерения на открытом воздухе сиспользованием модулированного света были возможны лишь при небольшихрасстояниях в несколько километров. С помощью лазеров удалось значительнорасширить область применения оптических методов, а в ряде случаев и упроститьих.

С появлением лазеров роторныегироскопы были заменены лазерными. Это сразу сулило ряд технических достоинств.Во-первых, резко сократились размеры контура из-за того, что в кольцевом лазереоба луча многократно обегают окружность и имеет место накопление фазовогосдвига. Во-вторых, лучи не ослабляются в среде, как это было в эксперименте А.Майкельсона, а усиливаются за счет получения энергии от активного вещества.

Лазерные гироскопы находятприменение в зарубежных устройствах измерительной техники, в системах наземнойориентации, в системах ориентации воздушных и космических аппаратов, а такжепри создании бесплатформенных инерциальных систем (БИС) навигации.

Лазерный гироскоп не свободен иот недостатков. К ним относятся необходимость оснащения прибора рядомвспомогательных систем, трудности  калибровки и т. п. Их наличие позволяетсделать вывод. Что лазерный гироскоп не сможет полностью заменить роторный.Скорее всего он будет применяться в комплексе измерителей первичной информациии лишь в отдельных случаях использоваться самостоятельно.

Обработка материалов и сварка

Обработка материалов с помощьюлазеров вылилась в последнее время в мощное направление, которое получилоназвание лазерной технологии. Вот что говорит об этом направлении академик Н.Г. Басов: “Лазерный луч – это уникальный тепловой источник, способный нагретьоблучаемый участок детали до высоких температур за столь малое время, в течениекоторого тепло не успевает “растрескаться”. Нагреваемый участок может быть приэтом размягчен, рекристаллизован, расплавлен, наконец, его можно испарить.Дозируя тепловые нагрузки путем регулирования мощности и продолжительностилазерного облучения, можно обеспечить практически любой температурный режим иреализовать различные виды термообработки. Лазерный нагрев используется дляповерхностей закалки и легирования металлов, для плавления при сварке, дляплавления и испарения с выбросом паров при резке и сверлении”.

Можно сформулировать основныедостоинства, которые имеет лазерная обработка материалов:

во- первых, большое разнообразиепроцессов обработки самых различных видов материалов (и даже таких, которые неподдаются механической обработке);

во-вторых, высокая скоростьвыполнения операций по обработке (иногда в 1000 раз большая, чем примеханической);

в-третьих, высокое качествообработки (гладкость срезов, прочность сварных швов, чистота обработки и др.);

в-четвертых, возможностьвысокоточной прецизионной обработки ( изготовление фильер в алмазе, необходимыхдля волочения проволоки, изготовление отверстий в рубиновых камнях, необходимыхдля изготовления часовых механизмов и др.);

в-пятых, селективностьвоздействия на отдельные участки обрабатываемой поверхности и возможностьдистанционной обработки (в том числе и поверхностей, расположенных застеклянной перегородкой);

в-шестых, сравнительная легкостьавтоматизации операций, способствующая существенному повышениюпроизводительности труда.

Лазерная хирургия

Свойством лазерного лучасверлить и сваривать различные материалы заинтересовались не только инженеры,но и медики. Они решили использовать его в качестве скальпеля. По сравнению собычным такой скальпель обладает целым рядом достоинств:

во-первых, лазерный скальпельотличается постоянством режущих свойств, надежностью в работе;

во-вторых, лазерный лучрассекает ткань на расстоянии, не оказывая на нее какого-либо механическогодавления;

в-третьих, лазерный скальпельимеет абсолютную стерильность, поскольку с тканью взаимодействует толькоизлучение, причем в области рассечения возникает высокая температура;

в-четвертых, лазерный лучпроизводит почти бескровный разрез, поскольку с рассечением тканей коагулируюткрая раны, как бы “заваривая” мелкие сосуды;

в-пятых, лазерный луч позволяетхирургу хорошо видеть оперируемый участок, в то время как скальпельзагораживает рабочее поле.

Кроме того, рана от лазерногоскальпеля (как показали клинические наблюдения) почти не болит и относительноскоро заживляется. Все это привело к тому. Что лазерный скальпель был примененна внутренних органах грудной и брюшной полостей. Им делают операции нажелудке, делают кожно-пластические операции. Широко используют в офтальмологиипри лечении глазных болезней. Исторически сложилось так, что окулисты первыеобратили внимание на возможность использования лазера и внедрили его вклиническую практику.

Лазеры в ретинопатии

Исследования показали, чтолазерное излучение оказывает сильное воздействие на ткани злокачественных опухолей,а воздействие их на здоровые ткани минимально. Не было замечено каких-либоизменений в работе сердечно-сосудистых систем, внутренних органов, измененийкожи. Зато установлено, что лазерное излучение хорошо использовать дляуничтожения меланомы – сильно пигментированного рака. В Англии ведутсяисследования по применению лазеров в нейрохирургии. Поскольку сама излучающаяголовка тяжелая, то используют волоконную оптику для подведения лучистогопотока к оперируемому участку. Волоконная оптика и лазерное излечениеиспользуются при операциях на желудке и пищеводе. Этому служит тонкий жгут,который вводят больному через рот. В жгуте размещаются: волокна, обеспечивающиепередачу на экран анализируемого и оперируемого участков, волокна,обеспечивающие подсветку участков обычным светом, волокна, обеспечивающиепередачу лазерного излучения, необходимого для выполнения операции. Обнаруженовесьма эффективное биологическое воздействие красного гелий-неонового лазера.Его стали использовать для лечения заболеваний слизистой оболочки рта, длясращивания костей после переломов, для лечения заболевания вен, приводящего ктрофическим язвам, для лечения послеожоговых ран.

Лазерная связь

Известно, что предельнаяскорость передачи определяется длительностью одного периода колебанийиспользуемых волн. Чем короче период, тем больше скорость передачи сообщений.Это справедливо и для передачи сообщений с помощью азбуки Морзе, с помощьютелефонной связи, радио связи, с помощью телевидения. Таким образом, каналсвязи (передатчик, приемник и связывающая их линия) может передавать соскоростью не больше, чем частота собственных колебаний всего канала. Но это ещене достаточное условие. Для характеристики канала связи требуется такойпараметр, как ширина полосы канала, т.е. диапазон частот, который используетсяв этом канале связи. Чем больше скорость передачи, тем шире полоса частот, накоторых следует передавать. Оба этих параметра вынуждают осваивать все болеевысокие частоты электромагнитных колебаний. Ведь с увеличением частоты увеличиваетсяне только скорость передачи по одному каналу, но и число каналов связи.

Техника связи стала забиратьсяво все более коротковолновую область, используя сначала дециметровые, потомметровые и, наконец, сантиметровые волны. А дальше произошла остановка из-затого, что не было подходящего источника несущих электромагнитных колебаний.Ранее существовавшие источники давали широкий спектр с очень малой мощностью,приходящейся на отдельные частоты колебаний. Световые волны небыликогерентными, а это исключало использование их для передачи сложных сигналов,требующих модуляции излучения. Положение резко изменилось с появлением лазеров.Когерентность и монохроматичность лазерного излучения позволяет модулировать идетектировать луч таким образом что используется вся ширина оптическогодиапазона. Оптический участок спектра гораздо шире и вместительнее, чемрадиоволновой.

Лазерные локаторы для стыковки

В настоящее время успешноосуществляется стыковка космических аппаратов на орбите. Для этого все они оборудуютсяцелым рядом устройств, среди которых не последним является и лазерный локатор кнему предъявляются определенные требования, обусловленные многими причинами. Впервую очередь, задаются величиной ошибки, с которой выводятся два корабля наодну и ту же орбиту. Величина зоны, в которой должны работать бортовые средствакосмических аппаратов, чтобы обеспечить взаимный поиск, обнаружение и слежение,определяется следующими факторами: ошибками систем управления всех ступеней,ошибками в момент пуска и, конечно, схемой вывода.

Основные характеристикилазерного локатора для стыковки следующие: дальность действия – от 120 км домомента встречи; определяемые параметры – дальность, скорость, угловыекоординаты и скорость изменения их; точность по дальности – 0.5% от расстоянияна расстоянии 120-3 км; точность по дальности – 0.1 м при расстоянии от 3 км;угловая точность – 10 угловых секунд; масса – 15 кг 770 г; потребляемаямощность – 15 Вт; габариты – 0.025 м^3.

Лазерная система посадки

Обеспечение безопасности полетов,связанная с увеличением точности систем посадки, снижением ограничений пометеоусловиям, с комфортностью работы экипажа в экстремальных условиях,является очень актуальным. На это были направлены усилия многих ученых иинженеров. Появление лазеров стимулировало усилия разработчиков систем посадкисамолета. Впервые такая система была разработана и внедрена в СССР нааэродромах Министерства ГА СССР. Ее автором является инженер Бережной. Системаполучила название “Глиссада”. Она прошла испытания и запатентована в рядестран. Лазерная система “Глиссада” является очень простой, легкоразворачиваемой на неподготовленных аэродромах, достаточно дешевой и простокомплектуемой с любыми стоящими на аэродроме системами. Ее основныепреимущества сформулированы следующим образом: имеется возможность производитьприземление самолетов с точностью, превосходящей точность существующихинструментальных систем посадки; пространственные ориентиры, образованныелазерными лучами системы за счет рассеяния на неоднородностях атмосферы, накаплях дождя и частицах дымки, хорошо обнаруживаются в сумерках и ночью судалений, превышающих дальность метеовидимости в 2.5-3 раза; системапространственных ориентиров позволяет летчику установить уверенный контакт сземлей гораздо раньше, чем он начнет различать ориентиры на поверхностиаэродрома, и раньше, чем он установит контакт с огнями малой интенсивности,располагаемыми на аэродроме.    

 Лазеры в агропроме

Особенности лазерного излученияпривлекли внимание не только физиков, химиков, металлургов, оптиков. Оказалось,что и одна из древнейших сфер деятельности человека — сельскохозяйственная,нуждается во внедрении лазерных технологий. Пищевая промышленность, а такжепромышленность микробиологических препаратов стали использовать лазерноеизлучение. Уже сейчас применяется лазерная стимуляция посевного материала,лазерное дистанционное зондирование полей, космическое землеведение, лазерноепрогнозирование состояния атмосферы, лазерное исследование качества зерна,лазерный контроль качества яиц и обработка мясных продуктов лазернымизлучением. Ну и, конечно, лазерное излучение используется в машиностроениипищевой промышленности, например для обработки режущих инструментов, закалкиподшипников и шестерен, контроля поверхности и т.п.

Физическая голография

В 70-е годы происходит бурноеразвитие технических приложений голографии: голографической интерферометрии,оптической записи и обработки информации, Фурье-голографии, радиоголографии,акустоголографии, цифровой голографии, поляризационной голографии. Вследствиезначительного расширение тематики начинается процесс профессиональнойдифференциации ученых-голографистов.

Цифровая голография

Сейчас, в период компьютеризации, все больше физиков обращается к цифровой голографии как методу всестороннегоизучения голографического процесса. Вычислительная техника с ее широкимивозможностями количественной поточечной обработки изображений позволяетпромоделировать весь голографический процесс от начального момента формированияголограммы до момента восстановления по ней исходного изображения, включаямногие промежуточные этапы преобразования оптической информации. Цифроваяголография как метод реализации голографического процесса с помощью ЭВМ сталовозможна благодаря наличию детально разработанного математического аппарата,адекватно описывающего волновое поле лазеров при формировании голограмм ивосстановлении изображения. Достаточно большой опыт расчета волновых полей наЭВМ, создание численных методов гармонического анализа двухмерных сигналов с помощьюЭВМ, разработка весьма эффективного алгоритма быстрого преобразования Фурье –все это явилось основой применения цифровой техники в голографии. Процедураполучения цифровой голограммы включает в себя, как правило, следующие этапы: 1.Ввод голографического участка изображения в ЭВМ; 2. Вычисление амплитудного ифазового  спектров изображения с помощью алгоритмов интегральных преобразований(Фурье, Френеля); 3. Выполнение подготовительных процедур, зависящих отвыбранного алгоритма выдачи цифровой голограммы на ЭВМ; 4. Выдача голограммы напечать или фотопленку в увеличенном масштабе; 5. Уменьшение полученнойголограммы до заданных размеров фотографическим способом.

Направления применения голографии

Трехмерная голография:изобразительная фотография, контурная фотография, импульсная съемка подвижныхобъектов, радиовидение, звуковидение, моделирование радиоантенн.

Распознавание образов: чтениепечатных текстов, обработка аэрофотоснимков, ассоциативный поиск, цифроваяголография.

Интерферометрия: измерение деформацийповерхностей, неразрушающий контроль, измерение вибраций, измерение рельефасложной поверхности, исследование ударных волн.

Интроскопия: наблюдение ватмосфере, наблюдение головного мозга, кодирование изображений.

Оптика: компенсация аберраций линз,безлинзовая оптика, микроскопия.

Таким образом, можно отметить,что голографический метод записи информации является наиболее полным среди всехметодов, известных раннее. Поэтому нет ничего удивительного в том, чтоголография может найти широкое применение во многих областях науки и техники:для передачи и обработки информации, в кибернетике, вычислительной технике, втехнологии и приборостроении.

Применение лазеров в военном деле

К настоящему времени сложилисьосновные направления, по которым идет внедрение лазерной техники в военноедело. Этими направлениями являются: 1.Лазерная локация (наземная, бортовая,подводная).

2. Лазерная связь.

3. Лазерные навигационные системы.

4. Лазерное оружие.

5. Лазерные системы ПРО и ПКО, создаваемая в рамкахстратегической оборонной инициативы – СОИ.

                                             Заключение

    Лазеры решительно и притом широким фронтом вторгаютсяв нашу действительность. Они необычайно расширили наши возможности в самыхразличных областях-- обработке материалов, медицине, измерениях, контроле,обработке и передачи информации, физических, химических и биологическихисследованиях. Уже сегодня лазерный луч овладел множеством полезных иинтересных профессий. Во многих случаях применение лазерного луча позволяетполучать уникальные результаты. Можно не сомневаться, что в будущем луч лазераподарит нам новые возможности, представляющиеся сегодня фантастическими. Мы уженачали привыкать к мысли, что “лазер все может”. Подчас это мешает трезво оценитьреальные возможности лазерной техники на современном этапе ее развития. Неудивительно,что чрезмерные восторги по поводу возможностей лазерного луча иногда сменяютсянекоторым охлаждением к лазерам. Все это, однако, никак не может замаскироватьосновной факт — с изобретением лазера человек получил в свое распоряжениекачественно новый, в высокой степени универсальный, очень эффективный“инструмент” для повседневной производственной и научной деятельности. С годамиэтот “инструмент” будет все более совершенствоваться, а вместе с этим будетнепрерывно расширяться и область применения лазеров.      

Нарастающие темпы исследований в области лазернойтехники открывают возможности создания новых типов лазеров со значительноулучшенными характеристиками, позволяющими расширить области их применения вмашино- и приборостроении. В настоящее время мы являемся свидетелями непрерывноувеличивающейся мощности излучения как твердотельных, так и газовых лазеров, работающихв постоянном режиме, что расширяет возможности их применения при различныхтехнологических операциях: сварке деталей значительно больших габаритов, резкеболее толстых листов с большими скоростями, сверлении с увеличенными скоростямиотверстий значительных диаметров и т.д. Открываются новые возможности в областиупрочнения деталей машин и приборов, а также режущих инструментов. Дальнейшиеуспехи в этом направлении пока ограничиваются выходом из строя отдельныхоптических элементов лазера: зеркал, выходных окон и др. – из-за их недостаточновысокой лучевой прочности. В области повышения лучевой прочности производятсяобширные исследования. Одновременно открываются новые возможности применениялазеров в технологических операциях. Повышение стабильности работы лазеровпозволяет поднять на новый уровень выполнение “тонких” операций доводки,размерной обработки локального характера. Для этой цели, по-видимому, наиболееперспективны лазеры, работающие в импульсном режиме, длительность импульсовизлучения которых не превосходит нескольких десятков наносекунд.

Одной из характерных особенностей развитиясовременной лазерной технологии является разделение сфер влияния твердотельныхи газовых лазеров. Твердотельные лазеры в ближайшие годы будут иметьпреимущества при выполнении энергетических импульсных процессов обработки, ккоторым относятся точечная сварка, сверление алмазных и рубинных камней,нанесение рисунков на тонких пленках за один импульс на большой площади и т.д.В тех случаях, когда для выполнения какой-либо технологической операции достаточноэнергии излучения газовых лазеров, следует отдавать им предпочтение ввиду болеевысоких частот повторения импульсов, стабильности и большого срока службы.Газовые лазеры и установки на их основе предоставляют технологу-исследователюбольшие возможности в выборе частот и режимов работы, что имеет особое значениепри обработке и нанесении различных пленочных покрытий. При этом найдут применениетеплохимические и фотохимические методы воздействия лазерного излучения наматериалы, которые широко используются в различных областях микроэлектроники.

Импульсные лазеры уже на современном уровнепревзошли по импульсной мощности все другие источники энергии, и можно ожидатьдальнейшего улучшения характеристик их излучения. Однако средняя мощностьлазеров пока недостаточна.

Можно предположить, что аргоновые лазеры и лазеры наоснове иттриево-алюминиевого граната найдут широкое применение втехнологических процессах средней энергоемкости, а мощные СО2-лазеры займутособое положение. Установки на их основе вытеснят традиционное оборудование длярезки, сварки, сверления отверстий, термообработки материалов и изделий вобласти тяжелого машиностроения. Здесь СО2- лазеры будут вне конкуренции.Простота управления интенсивностью управления лазерного излучения в сочетании сиспользованием современных средств программного управления позволитиспользовать лазерные установки в автоматизированных системах.

Появление стабилизированных одночастотных лазеров, вособенности лазеров с плавной перестраиваемой частотой, каковыми являютсяжидкостные лазеры, значительно расширит области практических примененийоптических методов в системах неразрушающего контроля, метрологии, системахизмерения и контроля размеров и линейных перемещений. Лазерный пучок станетболее удобным инструментом для определения физико-химических свойствматериалов, использования в качестве визира, измерения длины, скорости и т.д.При этом приборы на основе лазеров будут обладать исключительно высокойточностью и воспроизводимостью при локальных измерениях. Оптические доплеровскиеметоды дадут возможность измерять скорости потоков различных жидкостей и газов.

Высокостабилизированные одномодовые лазеры позволятв еще большей мере использовать голографические и интерференционные методыизмерений. К голографическим методам в настоящее время проявляется все большийи больший интерес многих специалистов, в отношении их применения определяютсявесьма большие перспективы. С помощью голографической интерферометрии можно обнаруживатьотклонения от заданных размеров различных оптических непрозрачных объектов, атакже производить испытания линз и зеркал, для которых не существует ручныхшаблонов.

Практически выявлена перспективность применениямаломощных лазеров непрерывного действия для измерения скоростей в потокахжидкости и газа. Однако применение лазеров большой мощности, работающих всине-зеленой или инфракрасной областях спектра, позволит повысить дальностьдействия оптических доплеровских измерителей скорости до нескольких километров.Эти измерители могут найти применение в различных технологических процессах какдатчики скорости для автоматизированных систем.

Широкое применение найдут лазеры в научныхисследованиях. Важной областью явится использование перестраиваемых по частотелазеров для спектральных исследований с высокой чувствительностью и разрешающейспособностью. Наличие мощных непрерывных и импульсных лазеров позволит болеесовершенно провести исследования в области взаимодействия излучения снепрозрачными средами, изучить нелинейные эффекты, возникающие при прохожденииинтенсивного лазерного излучения через оптически прозрачные среды.

Доступность и экономическая эффективность надежноголазерного оборудования будут и в дальнейшем определять широкое практическоеприменение лазерной технике в промышленности. В ближайшие годы, очевидно,появятся еще более производительные, мощные и надежные установки, которыепозволят ускорить применение лазеров в различных областях науки и техники, втом числе и в проборо- и машиностроении.

                                 Списокиспользованной литературы

1.  Применения лазеров. Под редакцией д-ра техн. Наук В.П. Тычинского, издательство“Мир”, Москва 1974.

2.  Применение лазеров вмашиностроении и приборостроении.Авт.: Крылов К.И., Прокопенко В.Т., Митрофанов А.С. Л. Машиностроение. Ленингр.отд-ние,1978.

3.  Лазеры и их применение. Тарасов Л.В. Учебное пособие для ПТУ. М.: Радио исвязь, 1983.

4.  Лазеры: действительность и надежды. Тарасов Л.В. М.:Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1985.

5.  Лазеры. Основы устройства иприменения. Федоров Б.Ф. М.: ДОСААФ,1988.    

1.   Введение……………………………………………………………………3

2.  История создания лазера ………………………………………………….5

3.  Классификация лазеров и иххарактеристики……………………………8

4.  Область применение лазеров в наукеи технике ….…………………….10

5.  Заключение………………………………………………………………..15

6.  Список использованной литературы…………………………………….18