149703 (Применение лазеров)

15

Доклад

по физике

На тему:

«Применение лазеров»

Ученика 11 «Б» класса

лицея № 34

г. Костромы

Кудашева Михаила

г. Кострома

2000 г.

План.

1. Введение. 1

2. Лазерный луч. 2

3. Лазерный луч в роли сверла. 3

4. Лазерная резка и сварка. 5

5. Лазерный луч в роли хирургического скальпеля. 7

6. Лазерное оружие. 10

7. Заключение. 14

8. Список литературы. 14

1. Введение.

Уже самое начало XX века бы­ло отмечено величайшими достижениями человечес­кого ума. 7 мая 1895 г. на заседании Русского физико-химического общества А. С. Попов продемонстриро­вал изобретенное им устройство связи без проводов, а год спустя аналогичное устройство предложил италь­янский техник и предприниматель Г. Маркони. Так родилось радио. В конце уходящего века был создан автомобиль с бензиновым двигателем, который при­шел на смену изобретенному еще в XVIII в. паровому автомобилю. К началу XX столетия уже действовали линии метро в Лондоне, Нью-Йорке, Будапеште, Вене. 17 декабря 1903 г. американские инженеры братья Орвилл и Уилбор Райт пролетели 260 м на созданном ими первом в мире аэроплане, а через 12 лет русский инженер И. И. Сикорский сконструировал и построил первый в мире многомоторный самолет, дав ему имя «Илья Муромец».

Не менее потрясающими оказались достижения в физике. Только за одно десятилетие на рубеже двух веков было сделано пять открытий. В 1895 г. немецкий физик В. Рентген открыл новый вид излучения, на­званный позднее его именем; за это открытие он получил в 1901 г. Нобелевскую премию, став, таким образом, первым в истории нобелевским лауреатом. В 1896 г. французский физик Антуан Анри Беккерель открыл явление радиоактивности — Нобелевская пре­мия 1903 г. В 1897 г. английский физик Дж. Дж. Томсон открыл электрон и в следующем году измерил его заряд — Нобелевская премия 1906 г. 14 декабря 1900 г. на заседании Немецкого физического общества Макс Планк дал вывод формулы для испускательной спо­собности черного тела; этот вывод опирался на совер­шенно новые идеи, ставшие фундаментом квантовой теории — одной из основных физических теорий XX века. В 1905 г. молодой Альберт Эйнштейн — ему тогда было всего 26 лет — опубликовал специальную теорию относительности. Все эти открытия производили оше­ломляющее впечатление и многих повергали в за­мешательство — они никак не укладывались в рамки существовавшей физики, требовали пересмотра ее ос­новных представлений. Едва начавшись, 20-й век возвестил о рождении новой физики, обозначил не­видимую грань, за которой осталась прежняя физика, получившая название «классическая».

И вот сегодня человек получил в своё распоряжение всемогущий луч лазера. На что употребит он это новое завоевание ума? Чем станет лазер: универсальным инструментом, надёжным помощником или, напротив, грозным космическим оружием, ещё одним разрушителем?

1. Лазерный луч.

Человек никогда не хотел жить в темноте; он изобрел много разнообразных источников света — от канувших в прошлое стеарино­вых свечей, газовых рожков и керосиновых ламп до ламп накаливания и ламп дневного света, которые сегодня освещают наши улицы и дома. И вот появился еще один источник света — лазер.

Этот источник света совершенно необычен. В отли­чие от всех других источников, он вовсе не предназна­чается для освещения. В отли­чие от других источников света, лазер генерирует световые лучи, способные гравировать, сваривать, ре­зать материалы, передавать информацию, осуществ­лять измерения, контролировать процессы, получать особо чистые вещества, направлять химические реак­ции... Так что это поистине удивительные лучи.

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.

1. 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.

Т о, 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.

1. 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.