Применение лазеров

| Категория реферата: Рефераты по физике
| Теги реферата: ответы на сканворды, решебник по математике 6
| Добавил(а) на сайт: Janaev.

В чем же причина удивительных свойств лазерного луча? Для объяснения этих свойств в научном языке есть специальный термин - когерентность.

В общих чертах такое пояснение дать вроде бы несложно. Вполне понятно, что поток света, распространяющийся от любого источника, есть суммарный результат высвечивания великого множества элементарных излучателей, каковыми являются отдельные атомы или молекулы светящегося тела. В случае лампы накаливания каждый атом-излучатель высвечивается, никак не согласуясь с другими атомами-излучателями, поэтому в целом получается световой поток, который можно назвать внутренне неупорядоченным, хаотическим. Это есть некогерентный свет. В лазере же гигантское количество атомов-излучателей высвечивается согласованно — в результате возникает внутренне упорядоченный световой поток. Это есть когерентный свет.

Внутренне упорядоченный, иными словами, когерентный световой пучок отличается, во-первых, высокой монохроматичностью и, во-вторых, исключительно малой расходимостью. Это понятно, поскольку разные атомы при взаимной согласованности испускают волновые цуги одинаковой (точнее говоря, почти одинаковой) частоты и одинакового (почти одинакового) направления движения.

Когда мы говорим о лазерном луче, то обычно представляем себе яркий и тонкий световой шнур или световую нить. Эту нить можно увидеть, если включить гелий-неоновый лазер. Правда, этот лазер маломощный - настолько, что его луч можно спокойно «ловить» в руку. К тому же луч не «ослепительно белый», а сочного красного цвета. Чтобы он был лучше виден, надо создать в лаборатории полумрак и легкую задымленность. Луч почти не расширяется и везде имеет практически одинаковую интенсивность. Можно разместить на его пути ряд зеркал и заставить его описать сложную изломанную траекторию в пространстве лаборатории. В результате возникнет эффектное зрелище-комната, как бы «перечеркнутая» в разных направлениях яркими красными прямыми нитями.

Однако не всегда лазерный луч выглядит столь эффектно. Например, луч
СО2-лазера вообще невидим — ведь его длина волны попадает в инфракрасную область спектра. Кроме того, не следует думать, что лазерный луч - это обязательно непрерывный поток световой энергии. В большинстве случаев лазеры генерируют не непрерывный световой пучок, а световые импульсы.

Современная лазерная техника позволяет регулировать длительность, энергию и даже форму лазерных импульсов. Регулируется и частота следования импульсов; это очень важно, так как от частоты следования импульсов существенно зависит средняя мощность лазерного излучения. О том, как управляют лазерными импульсами, будет рассказано позднее.

Лазерный луч в роли сверла.

Сверление отверстий в часовых камнях — с этого начиналась трудовая деятельность лазера. Речь идет о рубиновых камнях, которые используются в часах в качестве подшипников скольжения. При изготовлении таких подшипников требуется высверлить в рубине — материале весьма твердом и в то же время хрупком — отверстия диаметром всего 0,1-0,05 мм. Многие годы эта ювелирная операция выполнялась обычным механическим способом с использованием сверл, изготовленных из тонкой рояльной проволоки диаметром 40-50 мкм. Такое сверло делало до 30 тысяч оборотов в минуту и одновременно совершало при этом около ста возвратно-поступательных перемещений. Для сверления одного камня требовалось до 10-15 мин.

Начиная с 1964 г. малопроизводительное механическое сверление часовых камней стало повсеместно заменяться лазерным сверлением. Конечно, термин
«лазерное сверление» не надо понимать буквально; лазерный луч не сверлит отверстие — он его пробивает, вызывая интенсивное испарение материала. В настоящее время лазерное сверление часовых камней является обычным делом.
Для этой цели применяются, в частности, лазеры на стекле с неодимом.
Отверстие в камне (при толщине заготовки 0,5-1 мм) пробивается серией из нескольких лазерных импульсов, имеющих энергию 0,5-1 Дж. Производительность работы лазерной установки в автоматическом режиме —камень в секунду. Это в тысячу раз выше производительности механического сверления!

Вскоре после своего появления на свет лазер получил следующее задание, с которым справился столь же успешно, — сверление (пробивание) отверстий в алмазных фильерах. Для получения очень тонкой проволоки из меди, бронзы, вольфрама используется технология протягивания металла сквозь отверстие соответствующего диаметра. Такие отверстия высверливают в материалах, обладающих особо высокой твердостью, — ведь в процессе протягивания проволоки диаметр отверстия должен сохраняться неизменным. Наиболее тверд, как известно, алмаз. Поэтому лучше всего протягивать тонкую проволоку сквозь отверстие в алмазе — сквозь так называемые алмазные фильеры. Лишь с помощью алмазных фильер удается получать сверхтонкую проволоку, имеющую диаметр всего 10 мкм. Но как просверлить тонкое отверстие в таком сверхтвердом материале, как алмаз? Механически это сделать очень трудно — для механического сверления одного отверстия в алмазной фильере требуется до десяти часов. Зато, как оказалось, совсем нетрудно пробить это отверстие серией из нескольких мощных лазерных импульсов.

Сегодня лазерное сверление широко применяется не только для особо твердых материалов, но и для материалов, отличающихся повышенной хрупкостью. Лазерное сверло оказалось не только мощным, но и весьма деликатным «инструментом». Пример: применение лазера при сверлении отверстий в подложках микросхем, изготавливаемых из глиноземной керамики.
Керамика необычайно хрупка. По этой причине механическое сверление отверстий в подложке микросхемы производили, как правило, на «сыром» материале. Обжигали керамику уже после сверления. При этом происходила некоторая деформация изделия, искажалось взаимное расположение высверленных отверстий. Проблема была решена с появлением лазерных сверл. Используя их, можно работать с керамическими подложками, которые уже прошли обжиг. С помощью лазеров пробивают в керамике очень тонкие отверстия — диаметром всего 10 мкм. Механическим сверлением такие отверстия получить нельзя.

То, что сверление — призвание лазера, ни у кого не вызывало сомнений.
Здесь у лазера фактически не оказалось достойных конкурентов, особенно когда речь шла о сверлении особо тонких и особо глубоких отверстий, когда отверстия надо сверлить в очень хрупких или очень твердых материалах.

Лазерная резка и сварка.

Лазерным лучом можно резать решительно все: ткань, бумагу, дерево, фанеру, резину; пластмассу, керамику, листовой асбест, стекло, листы металла. При этом можно получать аккуратные разрезы по сложным профилям.
При резке возгорающихся материалов место разреза обдувают струёй инертного газа; в результате получается гладкий, необожженный край среза. Для резки обычно используют непрерывно генерирующие лазеры. Нужная мощность излучения зависит от материала и толщины заготовки. Например, для резки досок толщиной 5 см применялся СО2-лазер мощностью 200 Вт. Ширина разреза составляла всего 0,7 мм; опилок, естественно, не было.

Для резки металлов нужны лазеры мощностью в несколько киловатт.
Требуемую мощность можно снизить, применяя метод газолазерной резки - когда одновременно с лазерным лучом на разрезаемую поверхность направляется сильная струя кислорода. При горении металла в кислородной струе (за счет происходящих в этой струе реакций окисления металла) выделяется значительная энергия; в результате может использоваться лазерное излучение мощностью всего 100-500 Вт. Кроме того, струя кислорода сдувает и уносит из зоны разрезания расплав и продукты сгорания металла.

Первый пример такого рода резки — лазерный раскрой тканей на ткацкой фабрике. Установка включает СО2-лазер мощностью 100 Вт, систему фокусировки и перемещения лазерного луча, ЭВМ, устройство для натяжения и перемещения ткани. В процессе раскроя луч перемещается по поверхности ткани со скоростью 1 м/с. Диаметр сфокусированного светового пятна равен 0,2 мм.
Перемещениями луча и самой ткани управляет ЭВМ. Установка позволяет, например, в течение часа раскроить материал для 50 костюмов. Раскрой выполняется не только быстро, но и весьма точно; при этом края разреза оказываются гладкими и упрочненными. Второй пример — автоматизированное разрезание листов алюминия, стали, титана в авиационной промышленности.
Так, СО2-лазер мощностью 3 кВт разрезает лист титана толщиной 5 мм со скоростью 5 см/с. Применяя кислородную струю, получают примерно тот же результат при мощности излучения 100-300 Вт.

В развитии лазерной сварки выделяют два этапа. Вначале развивалась точечная сварка — на основе импульсных лазеров на рубине и на стекле с неодимом. С появлением мощных СО2-лазе-ров и лазеров на гранате с неодимом, дающих непрерывное излучение или последовательность часто повторяющихся импульсов, стала развиваться шовная сварка.

Примеры точечной лазерной сварки: соединение никелевого контакта с зажимом из никелевого сплава на основании транзистора, приваривание тонких медных проводов друг к другу или к зажимам, взаимное соединение микроэлектронных компонентов. Шовная лазерная сварка непрерывным излучением мощностью около 100 Вт применяется для герметизации корпусов приборов, приваривания наконечников к лопастям газовых турбин и кромок из закаленной стали к полотнам металлорежущих пил и т. д. С помощью киловаттных лазеров производят автоматизированную шовную сварку кузовов автомобилей, корпусов судов, труб газопроводов и т.д. Для сварки деталей из стекла используются лазеры мощностью 100 Вт, для сварки кварца — мощностью до 300 Вт.

Лазерная сварка успешно конкурирует с известными способами сварки, например с электродуговой и сваркой электронным лучом. Она обладает весомыми преимуществами. При лазерной сварке нет контакта со свариваемым образцом, а значит, нет опасности загрязнения его какими-либо примесями. В отличие от электронно-лучевой сварки, для которой нужен вакуум, лазерная сварка производится в обычных условиях. Она позволяет производить быстро и с высокой точностью проплавление локально: в данной точке или вдоль данной линии. Зона, подвергающаяся тепловому воздействию, имеет очень малые размеры. Это важно, в частности, в тех случаях, когда сварка выполняется в непосредственной близости от элементов, чувствительных к нагреву.

Лазерный луч в роли хирургического скальпеля.

Свойством лазерного луча сверлить и сваривать различные материалы заинтересовались не только инженеры, но и медики. Представьте себе операционную, где рядом с операционным столом находится СО2-лазер.
Излучение лазера поступает в шарнирный световод — систему полых раздвигающихся трубок, внутри которых свет распространяется, отражаясь от зеркал. По световоду излучение попадает в выходную трубку, которую держит в своей руке хирург. Он может перемещать ее в пространстве, свободно поворачивая в разных направлениях и тем самым посылая лазерный луч в нужное место. На конце выходной трубки есть маленькая указка; она служит для наведения луча — ведь сам луч невидим. Луч фокусируется в точке, которая находится на расстоянии 3-5 мм от конца указки. Это и есть лазерный хирургический скальпель.

В фокусе лазерного луча концентрируется энергия, достаточная для того, чтобы быстро нагреть и испарить биологическую ткань. Перемещая «лазерный скальпель», хирург рассекает ткань. Его работа отличается виртуозностью: вот он почти неуловимым движением руки приблизил конец указки к рассекаемой ткани, а вот приподнял, отодвинул его подальше; указка быстро и равномерно перемещается вдоль линии разреза, и вдруг ее движение слегка замедляется.
Глубина разреза зависит от скорости резания и от степени кровенаполнения ткани. В среднем она составляет 2-3 мм. Часто рассечение тканей выполняют не в один, а в несколько приемов, рассекая как бы послойно. В отличие от обычного скальпеля, лазерный скальпель не только рассекает ткани, но может также сшивать края разреза, иными словами, может производить биологическую сварку.

Рассечение производят сфокусированным излучением (хирург должен держать выходную трубку на таком расстоянии от ткани, чтобы точка, в которой фокусируются лучи, оказалась на поверхности ткани). При мощности излучения
20 Вт и диаметре сфокусированного светового пятна 1 мм достигается интенсивность (плотность мощности) 2,5 кВт/см2. Излучение проникает в ткань на глубину около 50 мкм. Следовательно, объемная плотность мощности, идущая на нагрев ткани, достигает 500 кВт/см3. Для биологических тканей это очень много. Происходит их быстрое разогревание и испарение — налицо эффект рассечения ткани лазерным лучом. Если же луч расфокусировать (для чего достаточно немного отодвинуть конец выходной трубки от поверхности ткани) и тем самым снизить интенсивность, скажем, до 25 Вт/см2, то ткань испаряться не будет, а будет происходить поверхностная коагуляция («заваривание»). Вот этот-то процесс и используют для сшивания разрезанной ткани. Биологическая сварка осуществляется за счет коагуляции жидкости, содержащейся в рассекаемых стенках оперируемого органа и специально выдавливаемой в промежуток между соединяемыми участками ткани.

Лазерный скальпель — удивительный инструмент. У него есть много несомненных достоинств. Одно из них — возможность выполнения не только рассечения, но и сшивания тканей. Рассмотрим другие достоинства.

Лазерный луч делает относительно бескровный разрез, так как одновременно с рассечением ткани коагулирует края раны, «заваривая» встречающиеся на пути разреза кровеносные сосуды. Правда, сосуды должны быть не слишком крупными; крупные сосуды необходимо предварительно перекрыть специальными зажимами. В силу своей прозрачности лазерный луч позволяет хирургу хорошо видеть оперируемый участок. Лезвие обычного скальпеля всегда в какой-то мере загораживает хирургу рабочее поле.
Лазерный луч рассекает ткань как бы на расстоянии, не оказывая на нее механического давления. В отличие от операции обычным скальпелем, хирург в данном случае может не придерживать ткань рукой или инструментом. Лазерный скальпель обеспечивает абсолютную стерильность - ведь с тканью взаимодействует здесь только излучение. Луч лазера действует локально; испарение ткани происходит только в точке фокуса. Прилегающие участки ткани повреждаются при этом значительно меньше, чем при использовании обычного скальпеля. Как показала клиническая практика, рана от лазерного скальпеля относительно быстро заживляется.