Назначение и область применения лазеров

| Категория реферата: Рефераты по физике
| Теги реферата: темы рефератов по психологии, шпаргалки по менеджменту
| Добавил(а) на сайт: Ия.

Лазерная гироскопия

С появлением лазеров роторные гироскопы были заменены лазерными. Это сразу сулило ряд технических достоинств. Во-первых, резко сократились размеры контура из-за того, что в кольцевом лазере оба луча многократно обегают окружность и имеет место накопление фазового сдвига. 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 находят применение в зарубежных устройствах измерительной техники, в системах наземной ориентации, в системах ориентации воздушных и космических аппаратов, а также при создании бесплатформенных инерциальных систем (БИС) навигации.
Лазерный гироскоп не свободен и от недостатков. К ним относятся необходимость оснащения прибора рядом вспомогательных систем, трудности калибровки и т. п. Их наличие позволяет сделать вывод. Что лазерный гироскоп не сможет полностью заменить роторный. Скорее всего он будет применяться в комплексе измерителей первичной информации и лишь в отдельных случаях использоваться самостоятельно.
Обработка материалов и сварка
Обработка материалов с помощью лазеров вылилась в последнее время в мощное направление, которое получило название лазерной технологии. Вот что говорит об этом направлении академик Н. Г. Басов: “Лазерный луч – это уникальный тепловой источник, способный нагреть облучаемый участок детали до высоких температур за столь малое время, в течение которого тепло не успевает
“растрескаться”. Нагреваемый участок может быть при этом размягчен, рекристаллизован, расплавлен, наконец, его можно испарить. Дозируя тепловые нагрузки путем регулирования мощности и продолжительности лазерного облучения, можно обеспечить практически любой температурный режим и реализовать различные виды термообработки. Лазерный нагрев используется для поверхностей закалки и легирования металлов, для плавления при сварке, для плавления и испарения с выбросом паров при резке и сверлении”.
Можно сформулировать основные достоинства, которые имеет лазерная обработка материалов: во- первых, большое разнообразие процессов обработки самых различных видов материалов (и даже таких, которые не поддаются механической обработке); во-вторых, высокая скорость выполнения операций по обработке (иногда в
1000 раз большая, чем при механической); в-третьих, высокое качество обработки (гладкость срезов, прочность сварных швов, чистота обработки и др.); в-четвертых, возможность высокоточной прецизионной обработки ( изготовление фильер в алмазе, необходимых для волочения проволоки, изготовление отверстий в рубиновых камнях, необходимых для изготовления часовых механизмов и др.); в-пятых, селективность воздействия на отдельные участки обрабатываемой поверхности и возможность дистанционной обработки (в том числе и поверхностей, расположенных за стеклянной перегородкой); в-шестых, сравнительная легкость автоматизации операций, способствующая существенному повышению производительности труда.
Лазерная хирургия
Свойством лазерного луча сверлить и сваривать различные материалы заинтересовались не только инженеры, но и медики. Они решили использовать его в качестве скальпеля. По сравнению с обычным такой скальпель обладает целым рядом достоинств: во-первых, лазерный скальпель отличается постоянством режущих свойств, надежностью в работе; во-вторых, лазерный луч рассекает ткань на расстоянии, не оказывая на нее какого-либо механического давления; в-третьих, лазерный скальпель имеет абсолютную стерильность, поскольку с тканью взаимодействует только излучение, причем в области рассечения возникает высокая температура; в-четвертых, лазерный луч производит почти бескровный разрез, поскольку с рассечением тканей коагулируют края раны, как бы “заваривая” мелкие сосуды; в-пятых, лазерный луч позволяет хирургу хорошо видеть оперируемый участок, в то время как скальпель загораживает рабочее поле.
Кроме того, рана от лазерного скальпеля (как показали клинические наблюдения) почти не болит и относительно скоро заживляется. Все это привело к тому. Что лазерный скальпель был применен на внутренних органах грудной и брюшной полостей. Им делают операции на желудке, делают кожно- пластические операции. Широко используют в офтальмологии при лечении глазных болезней. Исторически сложилось так, что окулисты первые обратили внимание на возможность использования лазера и внедрили его в клиническую практику.
Лазеры в ретинопатии
Исследования показали, что лазерное излучение оказывает сильное воздействие на ткани злокачественных опухолей, а воздействие их на здоровые ткани минимально. Не было замечено каких-либо изменений в работе сердечно- сосудистых систем, внутренних органов, изменений кожи. Зато установлено, что лазерное излучение хорошо использовать для уничтожения меланомы – сильно пигментированного рака. В Англии ведутся исследования по применению лазеров в нейрохирургии. Поскольку сама излучающая головка тяжелая, то используют волоконную оптику для подведения лучистого потока к оперируемому участку. Волоконная оптика и лазерное излечение используются при операциях на желудке и пищеводе. Этому служит тонкий жгут, который вводят больному через рот. В жгуте размещаются: волокна, обеспечивающие передачу на экран анализируемого и оперируемого участков, волокна, обеспечивающие подсветку участков обычным светом, волокна, обеспечивающие передачу лазерного излучения, необходимого для выполнения операции. Обнаружено весьма эффективное биологическое воздействие красного гелий-неонового лазера. Его стали использовать для лечения заболеваний слизистой оболочки рта, для сращивания костей после переломов, для лечения заболевания вен, приводящего к трофическим язвам, для лечения послеожоговых ран.
Лазерная связь
Известно, что предельная скорость передачи определяется длительностью одного периода колебаний используемых волн. Чем короче период, тем больше скорость передачи сообщений. Это справедливо и для передачи сообщений с помощью азбуки Морзе, с помощью телефонной связи, радио связи, с помощью телевидения. Таким образом, канал связи (передатчик, приемник и связывающая их линия) может передавать со скоростью не больше, чем частота собственных колебаний всего канала. Но это еще не достаточное условие. Для характеристики канала связи требуется такой параметр, как ширина полосы канала, т.е. диапазон частот, который используется в этом канале связи. Чем больше скорость передачи, тем шире полоса частот, на которых следует передавать. Оба этих параметра вынуждают осваивать все более высокие частоты электромагнитных колебаний. Ведь с увеличением частоты увеличивается не только скорость передачи по одному каналу, но и число каналов связи.
Техника связи стала забираться во все более коротковолновую область, используя сначала дециметровые, потом метровые и, наконец, сантиметровые волны. А дальше произошла остановка из-за того, 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 небыли когерентными, 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 и детектировать луч таким образом что используется вся ширина оптического диапазона. Оптический участок спектра гораздо шире и вместительнее, чем радиоволновой.
Лазерные локаторы для стыковки
В настоящее время успешно осуществляется стыковка космических аппаратов на орбите. Для этого все они оборудуются целым рядом устройств, среди которых не последним является и лазерный локатор к нему предъявляются определенные требования, обусловленные многими причинами. В первую очередь, задаются величиной ошибки, с которой выводятся два корабля на одну и ту же орбиту.
Величина зоны, в которой должны работать бортовые средства космических 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 характеристики лазерного локатора для стыковки следующие: дальность действия – от 120 км до момента встречи; определяемые параметры – дальность, скорость, угловые координаты и скорость изменения их; точность по дальности – 0.5% от расстояния на 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; потребляемая мощность – 15 Вт; габариты –
0.025 м^3.
Лазерная система посадки
Обеспечение безопасности полетов, связанная с увеличением точности систем посадки, снижением ограничений по метеоусловиям, с комфортностью работы экипажа в экстремальных условиях, является очень актуальным. На это были направлены усилия многих ученых и инженеров. Появление лазеров стимулировало усилия разработчиков систем посадки самолета. Впервые такая система была разработана и внедрена в СССР на аэродромах Министерства ГА
СССР. Ее автором является инженер Бережной. Система получила название
“Глиссада”. Она прошла испытания и запатентована в ряде стран. Лазерная система “Глиссада” является очень простой, легко разворачиваемой на неподготовленных аэродромах, достаточно дешевой и просто комплектуемой с любыми стоящими на аэродроме системами. Ее основные преимущества сформулированы следующим образом: имеется возможность производить приземление самолетов с точностью, превосходящей точность существующих инструментальных систем посадки; пространственные ориентиры, образованные лазерными лучами системы за счет рассеяния на неоднородностях атмосферы, на каплях дождя и частицах дымки, хорошо обнаруживаются в сумерках и ночью с удалений, превышающих дальность метеовидимости в 2.5-3 раза; система пространственных ориентиров позволяет летчику установить уверенный контакт с землей гораздо раньше, чем он начнет различать ориентиры на поверхности аэродрома, и раньше, чем он установит контакт с огнями малой интенсивности, располагаемыми на аэродроме.

Лазеры в агропроме
Особенности лазерного излучения привлекли 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 также промышленность микробиологических препаратов стали использовать лазерное излучение. Уже сейчас применяется лазерная стимуляция посевного материала, лазерное дистанционное зондирование полей, космическое землеведение, лазерное прогнозирование состояния атмосферы, лазерное исследование качества зерна, лазерный контроль качества яиц и обработка мясных продуктов лазерным излучением. Ну и, конечно, лазерное излучение используется в машиностроении пищевой промышленности, например для обработки режущих инструментов, закалки подшипников и шестерен, контроля поверхности и т.п.
Физическая голография
В 70-е годы происходит бурное развитие технических приложений голографии: голографической интерферометрии, оптической записи и обработки информации,
Фурье-голографии, радиоголографии, акустоголографии, цифровой голографии, поляризационной голографии. Вследствие значительного расширение тематики начинается процесс профессиональной дифференциации ученых-голографистов.
Цифровая голография
Сейчас, в период компьютеризации , все больше физиков обращается к цифровой голографии как методу всестороннего изучения голографического процесса. Вычислительная техника с ее широкими возможностями количественной поточечной обработки изображений позволяет промоделировать весь голографический процесс от начального момента формирования голограммы до момента восстановления по ней исходного изображения, включая многие промежуточные этапы преобразования оптической информации. Цифровая голография как метод реализации голографического процесса с помощью ЭВМ стало возможна благодаря наличию детально разработанного математического аппарата, адекватно описывающего волновое поле лазеров при формировании голограмм и восстановлении изображения. Достаточно большой опыт расчета волновых полей на ЭВМ, создание численных методов гармонического анализа двухмерных сигналов с помощью ЭВМ, разработка весьма эффективного алгоритма быстрого преобразования Фурье – все это явилось основой применения цифровой техники в голографии. Процедура получения цифровой голограммы включает в себя, как правило, следующие этапы: 1. Ввод голографического участка изображения в ЭВМ; 2. Вычисление амплитудного и фазового спектров изображения с помощью алгоритмов интегральных преобразований (Фурье,
Френеля); 3. Выполнение подготовительных процедур, зависящих от выбранного алгоритма выдачи цифровой голограммы на ЭВМ; 4. Выдача голограммы на печать или фотопленку в увеличенном масштабе; 5. Уменьшение полученной голограммы до заданных размеров фотографическим способом.
Направления применения голографии
Трехмерная голография: изобразительная фотография, контурная фотография, импульсная съемка подвижных объектов, радиовидение, звуковидение, моделирование радиоантенн.
Распознавание образов: чтение печатных текстов, обработка аэрофотоснимков, ассоциативный поиск, цифровая голография.
Интерферометрия: измерение деформаций поверхностей, неразрушающий контроль, измерение вибраций, измерение рельефа сложной поверхности, исследование ударных волн.
Интроскопия: наблюдение в атмосфере, 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 всех методов, известных раннее. Поэтому нет ничего удивительного в том, что голография может найти широкое применение во многих областях науки и техники: для передачи и обработки информации, в кибернетике, вычислительной технике, в технологии и приборостроении.
Применение лазеров в военном деле
К настоящему времени сложились основные направления, по которым идет внедрение лазерной техники в военное дело. 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 рамках стратегической оборонной инициативы – СОИ.

Заключение

Лазеры решительно и притом широким фронтом вторгаются в нашу действительность. Они необычайно расширили наши возможности в самых различных областях-- обработке материалов, медицине, измерениях, контроле, обработке и передачи информации, физических, химических и биологических исследованиях. Уже сегодня лазерный луч овладел множеством полезных и интересных профессий. Во многих случаях применение лазерного луча позволяет получать уникальные результаты. Можно не сомневаться, что в будущем луч лазера подарит нам новые возможности, представляющиеся сегодня фантастическими. Мы уже начали привыкать к мысли, что “лазер все может”.
Подчас это мешает трезво оценить реальные возможности лазерной техники на современном этапе ее развития. Неудивительно, что чрезмерные восторги по поводу возможностей лазерного луча иногда сменяются некоторым охлаждением к лазерам. Все это, однако, никак не может замаскировать основной факт — с изобретением лазера человек получил в свое распоряжение качественно новый, в высокой степени универсальный, очень эффективный “инструмент” для повседневной производственной и научной деятельности. С годами этот
“инструмент” будет все более совершенствоваться, а вместе с этим будет непрерывно расширяться и область применения лазеров.
Нарастающие темпы исследований в области лазерной техники открывают возможности создания новых типов лазеров со значительно улучшенными характеристиками, позволяющими расширить области их применения в машино- и приборостроении. В настоящее время мы являемся свидетелями непрерывно увеличивающейся мощности излучения как твердотельных, так и газовых лазеров, работающих в постоянном режиме, что расширяет возможности их применения при различных технологических операциях: сварке деталей значительно больших габаритов, резке более толстых листов с большими скоростями, сверлении с увеличенными скоростями отверстий значительных диаметров и т.д. Открываются новые возможности в области упрочнения деталей машин и приборов, а также режущих инструментов. Дальнейшие успехи в этом направлении пока ограничиваются выходом из строя отдельных оптических элементов лазера: зеркал, выходных окон и др. – из-за их недостаточно высокой лучевой прочности. В области повышения лучевой прочности производятся обширные исследования. Одновременно открываются новые возможности применения лазеров в технологических операциях. Повышение стабильности работы лазеров позволяет поднять на новый уровень выполнение
“тонких” операций доводки, размерной обработки локального характера. Для этой цели, по-видимому, наиболее перспективны лазеры, работающие в импульсном режиме, длительность импульсов излучения которых не превосходит нескольких десятков наносекунд.
Одной из характерных особенностей развития современной лазерной технологии является разделение сфер влияния твердотельных и газовых лазеров. Твердотельные лазеры в ближайшие годы будут иметь преимущества при выполнении энергетических импульсных процессов обработки, к которым 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 достаточно энергии излучения газовых лазеров, следует отдавать им предпочтение ввиду более высоких частот повторения импульсов, стабильности и большого срока службы. Газовые лазеры и установки на их основе предоставляют технологу-исследователю большие возможности в выборе частот и режимов работы, что имеет особое значение при обработке и нанесении различных пленочных покрытий. При этом найдут применение теплохимические и фотохимические методы воздействия лазерного излучения на материалы, которые широко используются в различных областях микроэлектроники.
Импульсные лазеры уже на современном уровне превзошли по импульсной мощности все другие источники энергии, и можно ожидать дальнейшего улучшения характеристик их излучения. Однако средняя мощность лазеров пока недостаточна.
Можно предположить, что аргоновые лазеры и лазеры на основе иттриево- алюминиевого граната найдут широкое применение в технологических процессах средней энергоемкости, а мощные СО2-лазеры займут особое положение.
Установки на их основе вытеснят традиционное оборудование для резки, сварки, сверления отверстий, термообработки материалов и изделий в области тяжелого машиностроения. Здесь СО2- лазеры будут вне конкуренции. Простота управления интенсивностью управления лазерного излучения в сочетании с использованием современных средств программного управления позволит использовать лазерные установки в автоматизированных системах.
Появление стабилизированных одночастотных лазеров, в особенности лазеров с плавной перестраиваемой частотой, каковыми являются жидкостные лазеры, значительно расширит области практических применений оптических методов в системах неразрушающего контроля, метрологии, системах измерения и контроля размеров и линейных перемещений. Лазерный пучок станет более удобным инструментом для определения физико-химических свойств материалов, использования в качестве визира, измерения длины, скорости и т.д. При этом приборы на основе лазеров будут обладать исключительно высокой точностью и воспроизводимостью при локальных измерениях. Оптические доплеровские методы дадут возможность измерять скорости потоков различных жидкостей и газов.
Высокостабилизированные одномодовые лазеры позволят в еще большей мере использовать голографические и интерференционные методы измерений. К голографическим методам в настоящее время проявляется все больший и больший интерес многих специалистов, в отношении их применения определяются весьма большие перспективы. С помощью голографической интерферометрии можно обнаруживать отклонения от заданных размеров различных оптических непрозрачных объектов, а также производить испытания линз и зеркал, для которых не существует ручных шаблонов.
Практически выявлена перспективность применения маломощных лазеров непрерывного действия для измерения скоростей в потоках жидкости и газа.
Однако применение лазеров большой мощности, работающих в сине-зеленой или инфракрасной областях спектра, позволит повысить дальность действия оптических доплеровских измерителей скорости до нескольких километров. Эти измерители могут найти применение в различных технологических процессах как датчики скорости для автоматизированных систем.
Широкое применение найдут лазеры в научных исследованиях. Важной областью явится использование перестраиваемых по частоте лазеров для спектральных исследований с высокой чувствительностью и разрешающей способностью.
Наличие мощных непрерывных и импульсных лазеров позволит более совершенно провести исследования в области взаимодействия излучения с непрозрачными средами, изучить нелинейные эффекты, возникающие при прохождении интенсивного лазерного излучения через оптически прозрачные среды.
Доступность и экономическая эффективность надежного лазерного оборудования будут и в дальнейшем определять широкое практическое применение лазерной технике в промышленности. В ближайшие годы, очевидно, появятся еще более производительные, мощные и надежные установки, которые позволят ускорить применение лазеров в различных областях науки и техники, в том числе и в проборо- и машиностроении.

Список использованной литературы

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

2. Применение лазеров в машиностроении 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 и связь, 1983.

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

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

Оглавление

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

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

3. Классификация лазеров и их характеристики……………………………8

4. Область применение лазеров в науке и технике ….…………………….10

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

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