CZYM JEST LASER? SKĄD SIĘ WZIĄŁ?

Transkrypt

1 LASERY

2 CZYM JEST LASER?

3 CZYM JEST LASER? SKĄD SIĘ WZIĄŁ?

4 CZYM JEST LASER? SKĄD SIĘ WZIĄŁ? JAK DZIAŁA?

5 CZYM JEST LASER? SKĄD SIĘ WZIĄŁ? JAK DZIAŁA? RODZAJE LASERÓW

6 CZYM JEST LASER? SKĄD SIĘ WZIĄŁ? JAK DZIAŁA? RODZAJE LASERÓW ZASTOSOWANIE LASERÓW

7 CZYM JEST LASER? SKĄD SIĘ WZIĄŁ? JAK DZIAŁA? RODZAJE LASERÓW ZASTOSOWANIE LASERÓW BEZPIECZEŃSTWO PRACY Z LASERAMI

8 CZYM JEST LASER? SKĄD SIĘ WZIĄŁ? JAK DZIAŁA? RODZAJE LASERÓW ZASTOSOWANIE LASERÓW BEZPIECZEŃSTWO PRACY Z LASERAMI HOLOGRAMY

9 CZYM JEST LASER? SKĄD SIĘ WZIĄŁ? JAK DZIAŁA? RODZAJE LASERÓW ZASTOSOWANIE LASERÓW BEZPIECZEŃSTWO PRACY Z LASERAMI HOLOGRAMY CIEKAWOSTKI ZE ŚWIATA LASERÓW

10 CZYM JEST LASER?

11 Laser jest urządzeniem wytwarzającym światło, które różni się od światła zwyczajnego. Czym różni się światło lasera od zwykłego? Zwyczajne światło, które widzimy jako białe, w rzeczywistości jest mieszaniną wielu różnokolorowych promieni o różnych długościach fali. Natomiast światło lasera jest monochromatyczne (jednobarwne), czyli składa się wyłącznie z promieni o jednakowej długości fali i jest widoczne w postaci wiązki o bardzo czystym kolorze.

12 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation wzmacnianie światła przez wymuszoną emisję promieniowania

13

14 Podstawowe cechy światła laserowego to: minimalna rozbieżność wiązki, gdyż światło laserowe jest spójne i koherentne; monochromatyczność; w laserze rubinowym szerokość linii widmowej nie przekracza na ogół 0,01 mm; równoległość - w laserach stałych rozbieżność wiązki nie przekracza zwykle 10 miliradianów, natomiast w laserach CO2 utrzymuje się poniżej 2-5 miliradianów; duża energia promieniowania.

15 SKĄD SIĘ WZIĄŁ?

16 Wiązka światła laserowego zabłysła po raz pierwszy w roku 1960, ale pierwsze kroki na drodze do stworzenia lasera poczyniono dużo wcześniej. Wszystko zaczęło się w roku 1917, kiedy słynny uczony Albert Einstein stwierdził, że jest możliwe pobudzanie najmniejszych cząsteczek materii atomów, do emisji światła. Okazało się to wtedy bardzo trudne do sprawdzenia. Musiało minąć wiele lat, zanim udało się tego dokonać. Na początku 1997 r., uczeni amerykańscy ze słynnego Massachusetts Institute of Technology poinformowali o skonstruowaniu lasera, którego wiązka składa się z atomów materii, a nie z fotonów uporządkowanych zgodnie z falami materii.

17 Przełom nadszedł, gdy trzech amerykańskich naukowców, Charles Townes, James Gordon i Herbert Zeiger, odkryło sposób pobudzania atomów do emisji nie światła, ale mikrofal. W roku 1954 skonstruowali pierwszy maser (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation - wzmacnianie mikrofal przez wymuszoną emisję promieniowania) - urządzenie emitujące silną, dającą się sterować wiązkę mikrofal. Osiągniecie to zachęciło wielu naukowców do prób budowy laserów, czyli maserów emitujących światło zamiast mikrofal. Pierwszym, któremu się to udało, był amerykański naukowiec Theodore Maiman. 15 maja 1960 roku pobudził do emisji pierwszej wiązki światła laserowego pręt z rubinu, umieszczony wewnątrz potężnej lampy błyskowej. Wraz z tym jaskrawym impulsem głęboko czerwonej barwy rozpoczęła się era laserów.

18

19

20 JAK DZIAŁA LASER?

21

22

23

24

25

26 RODZAJE LASERÓW

27 W zależności od ośrodka czynnego rozróżniamy lasery gazowe atomowe, np. He-Ne lasery gazowe molekularne, np. N2-CO2-He lasery gazowe jonowe lasery krystaliczne czyli na ciele stałym, np. rubinowy, YAG lasery szklane, np. neodymowy lasery półprzewodnikowe, np. GaAs-AlGaAs lasery barwnikowe, np. z roztworem rodaminy lasery chemiczne, np. wykorzystanie reakcji syntezy wzbudzonego HF lub DF do pobudzenia ośrodka czynnego.

28 Typ lasera l[nm] Rodzaj pracy, długość impulsu Zastosowanie rubinowy 694,3 impulsowa, technologiczne, spawanie, topienie, wiercenie, dentystka, biologia neodymowy 1060 ciągła lub impulsowa (15ns) telekomunikacja, laserowe układy śledzące, kontrolowane reakcje jądrowe półprzewodnikowy GaInAsP, GaAs, AlGaAs ciągła lub impulsowa (102ns) telekomunikacja barwnikowy przestrajany ciągła lub impulsowa ( ns) pompowany laserem N2 lub Ar spektroskopia, rozdzielanie izotopów, biologia He-Ne 632,8 ciągła interferometria, metrologia, holografia, geodezja argonowy jonowy ,5 ciągła lub impulsowa (103ns) chirurgia, spektroskopia azotowy 337,1 impulsowa (10ns) spektroskopia, reakcje fotochemiczne ciągła lub impulsowa ( ns) laserowe układy śledzące, chirurgia, dentystyka, obróbka materiałów, cięcie i spawanie metali, kontrolowane reakcje jądrowe, rozdzielanie izotopów CO

29 ZASTOSOWANIE LASERÓW

30

31 CELACH CELACH WOJSKOWYCH WOJSKOWYCH BIOLOGII BIOLOGII II CHEMII CHEMII POMIARACH POMIARACH ODLEGŁOŚCI ODLEGŁOŚCI OKREŚLENIU OKREŚLENIU POZIOMU POZIOMU SKAŻENIA SKAŻENIA ATMOSFERY ATMOSFERY LASERÓW LASERÓW UŻYWA UŻYWA SIĘ SIĘ W: W: MEDYCYNIE MEDYCYNIE ZAPISIE ZAPISIE DŹWIĘKU DŹWIĘKU I DANYCH I DANYCH NA NACD/DVD CD/DVD INNE INNE PRODUKCJI PRODUKCJI ŚWIATŁOWODÓW ŚWIATŁOWODÓW

32 Zastosowanie laserów w przemyśle cięcie spawanie znakowanie drążenie otworów obróbka powierzchniowa hartowanie stapianie warstwy powierzchniowej wzbogacanie warstwy przypowierzchniowej w składniki stopowe nakładanie warstwy przypowierzchniowej (natapianie)

33 Laserowa obróbka materiałów :

34 Pomiary odległości Geodeci używają przyrządów zwanych dalmierzami laserowymi do bardzo dokładnych pomiarów odległości - od kilku metrów do około 3 km. Dalmierz laserowy rejestruje czas upływający pomiędzy wysłaniem impulsu świetlnego a odebraniem odbitego od obiektu echo tego impulsu. Wiadomo, że szybkość światła jest stała i wynosi około km/s. Dystans do obiektu, obliczony z pomnożenia czasu przez szybkość, pojawi się na wyświetlaczu dalmierza.

35 Do określenia poziomu skażenie atmosfery

36 Dźwięk i dane na CD fragment płyty CD nadruk warstwa z aluminium warstwa tworzywa sztucznego land pit obiektyw strumień światła odbity od landu Dioda fotooptyczna Laser diodowy głowica odczytująca

37 Światłowody W miarę jak coraz więcej ludzi używa Internetu, telefonu i faksu, rośnie zapotrzebowanie na łącza telekomunikacyjne. I w tej dziedzinie lasery są pomocne. Kable światłowodowe, przewodzące sygnały w formie impulsów świetlnych o różnej intensywności, przenoszą wielokrotnie więcej informacji, niż tradycyjne miedziane kable telefoniczne. W światłowodowych sieciach telekomunikacyjnych pojedyncze włókno może równocześnie przesyłać tysiące rozmów telefonicznych.

38 Cele wojskowe Żołnierz mierzy celownikiem laserowym. Laser kieruje pociskiem rakietowym prosto do celu. Bomby precyzyjnie niszczą cele naziemne. Bomby kierowane laserem zostały zwolnione przez samolot bojowy Jaguar lotnictwa francuskiego.

39 Biologia i chemia Mikroskopowy widok nicieni glebowych oświetlonych światłem lasera.

40 W medycynie W medycynie stosuje się lasery: wysokoenergetyczne niskoenergetyczne

41 Skalpel laserowy

42

43 BEZPIECZEŃSTWO PRACY Z LASERAMI

44 Podczas pracy z laserami występują następujące zagrożenia: niebezpieczeństwo uszkodzenia oka, niebezpieczeństwo uszkodzenia skóry, niebezpieczeństwo porażenia prądem, niebezpieczeństwa związane z produktami obróbki czyli np. pyły i gazy.

45

46 zakres długości fal oko skóra Ultrafiolet C nm zapalne uszkodzenie rogówki Ultrafiolet B nm rumień (oparzenie słoneczne) przyspieszone starzenie skóry zwiększona pigmentacja Ultrafiolet A nm Widzialny nm katarakta fotochemiczna fotochemiczne i termiczne uszkodzenia siatkówki ciemnienie pigmentu reakcje fotoczułe oparzenia skóry Podczerwień A nm katarakta oparzenie siatkówki oparzenia skóry Podczerwień B nm katarakta przymglenie rogówki oparzenie rogówki oparzenia skóry Podczerwień C 3000 nm - 1 mm wyłącznie oparzenie rogówki oparzenia skóry

47

48 Oznaczenia pozwalające zidentyfikować klasę urządzeń laserowych Tekst polski Tekst angielski URZĄDZENIE LASEROWE KLASY 1 CLAS 1 LASER PRODUCT PROMIENIOWANIE LASEROWENIE SPOGLĄDAĆ BEZPOŚREDNIO W WIĄZKĘ PRZEZ PRZYRZĄDY OPTYCZNEURZĄDZENIE LASEROWE KLASY 1M LASER RADIATION DO NOT VIEV DIRECTLY WITH OPTICAL INSTRUMENT CLAS 1M LASER PRODUCT PROMIENIOWANIE LASEROWENIE WPATRYWAĆ SIĘ W WIĄZKĘURZĄDZENIE LASEROWE KLASY 2 LASER RADIATION DO NOT STARE INTO BEAM CLASS 2 LASER PRODUCT PROMIENIOWANIE LASEROWENIE WPATRYWAĆ SIĘ W WIĄZKĘ LUB NIE SPOGLĄDAĆ BEZPOŚREDNIO W WIĄZKĘ PRZEZ PRZYRZĄDY OPTYCZNEURZĄDZENIE LASEROWE KLASY 2M LASER RADIATION DO NOT STARE INTO THE BEAM OR VIEV DIRECTLY WITH OPTICAL INSTRUMENTS CLAS 2M LASER PRODUCT PROMIENIOWANIE LASEROWECHRONIĆ OCZYURZĄDZENIE LASEROWE KLASY 3R LASER RADIATION A VOID DIRECT EYE EXPOSURECLAS 3R LASER PRODUCT PROMIENIOWANIE LASEROWEUNIKAĆ WIĄZKI LASEROWEJURZĄDZENIE LASEROWE KLASY 3R LASER RADIATION A VOID EXPOSURE TO BEAMCLAS 3R LASER PRODUCT PROMIENIOWANIE LASEROWEUNIKAĆ WIĄZKI LASEROWEJURZĄDZENIE LASEROWE KLASY 3B LASER RADIATION A VOID EXPOSURE TO BEAMCLAS 3B LASER PRODUCT PROMIENIOWANIE LASEROWECHRONIĆ OCZY I SKÓRĘ PRZED PROMIENIOWANIEM BEZPOŚREDNIM LUB ROZPROSZONYMURZĄDZENIE LASEROWE KLASY 4 LASER RADIATION A VOID EYE OR SKIN EXPOSURE TO DIRECT OR SCATTERED RADIATION CLAS 4 LASER PRODUCT

49

50

51 HOLOGRAMY

52 W roku 1948 amerykański naukowiec pochodzenia węgierskiego, Dennis Gabor, wpadł na pomysł trójwymiarowej fotografii, czyli hologramu przedmiotu, otrzymywanego przez rozszczepienie wiązki spójnego światła. Wówczas nie znano sposobu wytwarzania takiego światła, ale z chwilą pojawienia się laserów w roku 1960 holografia stała się możliwa.

53 Soczewka rozpraszająca wiązkę objekt lustro Film fotograficzny Soczewka rozpraszająca wiązkę lustro Wiązka światła lasera laser Lustro rozszczepiające wiązkę (lustro półprzenikliwe)

54

55 CIEKAWOSTKI ZE ŚWIATA LASERÓW

56 Laser rentgenowski Badacze z University of Colorado ogłosili, że udało im się stworzyć laser świecący na granicy ultrafioletu i światła rentgenowskiego. Długość fali emitowanego przezeń promieniowania wynosi zaledwie 5 nanometrów około stukrotnie mniej niż długość fali światła widzialnego i dwukrotnie mniej od dotychczasowego rekordu. Zbudowanie tak wysokoenergetycznego lasera było możliwe dzięki wykorzystaniu własności argonu - jednego z gazów szlachetnych. Atomy argonu oświetlano promieniowaniem widzialnym, które usuwało jego najdalsze od jądra elektrony. Wiążące się ponownie z jonami argonu elektrony emitowały laserowe błyski miękkiego promieniowania rentgenowskiego. Do produkcji promieniowania o jeszcze wyższej energii można by teoretycznie wykorzystać atomy helu, nie rozwiązano jednak jeszcze trudności technicznych, wiążących się ze skłonieniem ich do emitowania światła o dużym natężeniu. Na razie trwają więc prace nad argonem. Nowowytworzony laser z pewnością znajdzie wiele zastosowań. Badacze proponują wykorzystanie go do obrazowania nanoobiektów, w szczególności w biologii. Autor: Weronika Śliwa "Ekspres Naukowy"

57 Niebieski laser Badania nad niebieskim laserem stanowią część tzw. niebieskiej optoelektroniki, objętej realizowanym od kilku lat w Polsce Strategicznym Programem Rządowym. Pierwszy niebieski laser powstał w 1996 r. w Japonii (prof. Shuji Nakamura), ale cechowały go mała moc i krótki czas działania. Przyczyną były defekty struktury azotku galu, który jest ciałem czynnym w tym laserze. Azotek galu jest półprzewodnikiem wykorzystywanym komercyjnie do końca lat 90. w postaci diod świecących. Zastosowanie GaN w technice laserowej wymaga otrzymywania kryształów pozbawionych defektów. Udało się to Polakom w Centrum Badań Wysokociśnieniowych "Unipress". Polskie kryształy azotku galu mają postać przeźroczystych, sześciokątnych płatków o lustrzanej powierzchni wielkości 1 cm2 i grubości 0,1 mm. Uważa się (i jest to realne), że niebieski laser zrewolucjonizuje przemysł audio- video. Zastosowany w odtwarzaczach CD umożliwi zapisanie kilkakrotnie więcej dźwięku i obrazu. Aby to osiągnąć, należy dążyć do zwiększenia mocy lasera, obniżenia prądu niezbędnego do wzbudzenia akcji laserowej oraz zapewnienia powtarzalności właściwości wyrobu finalnego by każdy laser świecił tak samo. Wówczas te lasery znajdą zastosowanie nie tylko w odtwarzaczach komputerowych, ale też do analizy zanieczyszczeń atmosfery, w komunikacji podwodnej oraz do budowy wyświetlaczy wielkiego formatu. Niebieskie lasery zezwalają na kilkakrotne zwiększenie ilości informacji na dyskach optycznych (DVD), zostaną wykorzystane w drukarkach laserowych ultrawysokiej rozdzielczości, pojawią się w wielu zastosowaniach wojskowych, ochronie środowiska, a także w diagnostyce medycznej. Szacuje się, że za 10 lat wartość produkcji polskiego przemysłu niebieskiej optoelektroniki osiągnie blisko 3 mld zł. (wykorzystano min. artykuły K. Lewandowskiego opublikowane w Biuletynie KBN w 9/2001 i 1-2/2002, "Forum Akademickim" 7-8/2002).

58 Amerykańskie wojsko stawia na broń laserową Nad poligonem White Sands w Nowym Meksyku dokonano pierwszego przechwycenia i zestrzelenia laserem pocisku lecącego z prędkością naddźwiękową. Naświetlenie trwało kilka sekund, po czym cel został rozerwany na części. Obserwatorzy, wśród których przeważali wysocy oficerowie amerykańskiej armii, byli bardzo zadowoleni. Mówi się nawet o tworzeniu nowej historii, bo odkąd przez siedmioma wiekami na wyposażeniu wojska znalazła się broń palna i artyleria taktyka obrony polegała na schodzeniu z linii ognia, ucieczce, ukrywaniu się przed nadlatującymi pociskami, budowaniu umocnień i bunkrów. Wkrótce wszystko to może się okazać niewystarczające. Laser będzie zdolny przepalić każdy pancerz i zniszczyć pocisk w trakcie lotu. Pierwsze udane zestrzelenie ma na koncie "Tactical High Energy Laser" (THEL) pierwsza broń z planowanego całego arsenału, który amerykańska armia chce mieć już niedługo na swoim wyposażeniu. Minister Obrony Donald Rumsfeld przyznał temu programowi najwyższy priorytet. Na zdięciu przedstawiam zdięcie The Mobile Tactical High Energy Laser (THEL):

59 Najpotężniejsze lasery świata Najpotężniejsze lasery świata są używane przede wszystkim do badania struktury atomów i reakcji rozszczepienia. Emitują one potężne impulsy energii w zakresie terawatów (bilionów watów) - impulsy te jednak są bardzo krótkie, krótsze od pikosekundy ( bilionowa część sekundy ). Najpotężniejszy jest laser brytyjski "VULCAN" ma moc rzędu 100 terawatów (TW), oczywiście mowa tu o bardzo krótkich impulsach rzędu pikosekund. Laser taki emituje wiązkę o długości 1054 nm jest to laser Nd:szkło. Laser ten został wpisany do Księgi Guinnessa. Więcej informacji o tym laserze można znaleźć pod adresem : a oto "VULCAN" Największy laser w USA zdolny jest do wytworzenia impulsu o gestości mocy około 10 TW na cm2 Dla porównania w przemyśle stosuje się lasery o mocach do 45 kw.

60 Marsjańskie Laboratorium Naukowe Oto jak wyglądać będzie pojazd o nazwie Mars Science Laboratory (MSL) (Marsjańskie Laboratorium Naukowe) podczas pracy : Według planów NASA Marsjańskie Laboratorium Naukowe miało zostać wysłane na Czerwoną Planetę w grudniu 2009 jednak z powodu problemów z budżetem NASA przełoży prawdopodobnie misję MSL na rok MSL ma pozostać aktywny po wylądowaniu przez jeden Marsjański rok (687 dni). Waga pojazdu będzie wynosić około 3,000 kilogramów (6,600 funtów). Naukowcy wyposażą łazik między innymi w spektroskop laserowy, który badać będzie marsjańskie skały w taki oto sposób: z pewnej odległości (do 13 metrów) łazik wystrzeli w stronę skały promień lasera. Fragment skały, na którym skupi się promień, zostanie stopiony lub wyparuje. Potem rozgrzane cząstki będą stygły, emitując światło, na podstawie którego ustalić będzie można skład skały. Poniższy rysunek w sposób obrazowy przedstawia zasadę działania spektroskopu laserowego:

61 Źródła: Leksykon szkolny Nauka i technika, wyd. OXFORD UNIVERSITY PRESS Encyklopedia multimedialna WIEM Wielka Encyklopedia A-Z