Лазерные технологии и их использование

Лазер - источник электромагнитного излучения высокой направленности, способный осуществлять предельно возможную концентрацию энергии излучения в пространстве и времени.

Слово «лазер» является аббревиатурой английского словосочетания: «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation», что означает - «Усиление света вынужденным излучением».

Первоначально термин «лазер» применялся только к оптическому излучению (свету), ныне генерация лазерного излучения получена в диапазоне длин волн от микроволнового до мягкого рентгеновского. Лазерное излучение возникает как результат преобразования различных видов энергии (световой, электрической, химической и др.).

Лазерные технологии крайне важны в развитии производств и науки. Они берут на себя работу от металлообработки до создания микропроцессорных систем и научных исследований. Лазер является точнейшим средством для пилений, пайки, помогает в изучении дальности космических объектов и используется как оружие.

Данная тема является очень актуальной, т.к. лазерные технологии играют огромную роль в современном мире. С каждым днём растёт потребность производства в лазерной резке и гравировке, больниц – лазерной коррекции и хирургии, науки в лазерных измерениях и т.д.

Целью моего проекта является изучение лазерных технологий и работы с ними.

Задачи проекта:

Изучить лазерные технологии и принципы их работы;
Узнать историю создания и совершенствования разных типов лазера;
Создать изделие при помощи лазерных технологий.

ГЛАВА 1. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

1.1 ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ЛАЗЕРА

Чуть более шестидесяти лет назад в Государственном оптическом институте был запущен первый отечественный лазер.

Но когда же появился самый первый?

История создания лазера берет свое начало в далеких 20-х прошлого столетия. Именно тогда формировался новый раздел физики – квантовая электроника. Фундаментом к созданию лазера стало открытие немецким физиком Максом Планком элементарной порции энергии – кванта, за что он был удостоен Нобелевской премии. Планк совершил революцию в физике, вдохновил на открытия знаменитых ученых, в числе которых был и А. Эйнштейн.

Именно теория вынужденного излучения, сформулированная Эйнштейном в 1917 году, спустя несколько десятилетий стала основой для создания первого лазера. Тогда он, по сути, допускал возможность «заставить» электроны излучать свет определенной длины волны одновременно, а для этого придумать некий управляемый электромагнитный излучатель.

В 1951 году профессор Колумбийского университета Чарльз Таунс решается воплотить теорию вынужденного излучения на практике и создать такой прибор. В 1954 году он представляет первый в мире реально работающий лазер.

В 1960 году американский физик Теодор Майман создает первый импульсный рубиновый лазер, который состоял из кристалла рубина с посеребренными торцами, а также лампы-вспышки.

Через год первый лазер был запущен в СССР. Это произошло 2 июня 1961 года в ГОИ, старшим научным сотрудником Л.Д. Хазовым с участием И.М. Белоусовой. Все элементы лазера – рубин, покрытие на его торцах, лампы накачки – были созданы в ГОИ. После запуска лазера на рубине в институте началась работа по созданию твердотельных и газовых лазеров.

Уже в 1963 году была проведена первая в мире передача телевизионного сигнала по лучу гелий-неонового лазера через атмосферу.

Различное применение лазерных источников излучения стало возможным благодаря разработкам ГОИ. На протяжении последних 60 лет. Под научным руководством сотрудников института промышленностью было освоено большое число лазерных систем, более двух десятков из них было принято на вооружение армии. Мощные лазеры разработки ГОИ открыли новые возможности развития измерительных и информационных систем.

В 2003 году в ГОИ впервые в мире был создан фуллерен-кислород-йодный лазер (ФОИЛ).

Рисунок 1 - Фуллерен-кислород-йодный лазер (ФОИЛ)

Само использование фуллерена – новейшего нано материала, обладающего широким спектром поглощения в ультрафиолетовой и видимой области спектра – делает этот лазер уникальным. Еще более фантастическим кажется сама идея использования прибора – преобразование солнечной энергии в лазерное излучение. Для этого планируется создание электростанции космического базирования, на геостационарных спутниках.

1.2 ПРИНЦИП РАБОТЫ ЛАЗЕРА

Чтобы понять, как работает лазер, посмотрим на его структуру. Типичный лазер выглядит так: трубка, внутри которой размещен кристалл, чаще всего рубин. С обоих торцов она закрыта зеркалами: прозрачным и не полностью прозрачным. Под воздействием электрической обмотки атомы кристалла генерируют световые волны. Эти волны перемещаются от одного зеркала к другому до того момента, пока не наберут интенсивность, достаточную для прохождения через не полностью прозрачное зеркало.

1.3 СОЗДАНИЕ ЛУЧА

Для своего появления, лазерный луч проходит несколько стадий:

Электроны всех атомов занимают основной энергетический уровень
Под действием энергии из разрядной трубки электроны перемещаются на более высокие энергетические орбиты

Разрядная трубка - стеклянная оболочка, заполненная разреженным газом, который светится вследствие столкновения электронов с молекулами газа.

Электроны начинают покидать высокие энергетические орбиты и спускаться к основному уровню. При этом они начинают испускать свет и побуждают к этому остальные электроны. Образуется пучок света с одинаковой длиной волны у каждого источника. Чем больше новых электронов вернется к низким орбитам, тем мощнее свет лазера.

1.4 ТИПЫ ЛАЗЕРОВ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Существует множество типов лазеров для выполнения разных целей и задач.

Лазеры подразделяются на:

Газовые лазеры;
Лазеры на красителях;
Лазеры на парах металлов;
Твердотельные лазеры;
Полупроводниковые лазеры;
Лазеры на свободных электронах, и другие.

Характеристики и особенности лазеров этих типов:

1.4.1 ГАЗОВЫЕ ЛАЗЕРЫ

Источником энергии газовых лазеров являются химические реакции, которые возникают между компонентами среды. В качестве активной среды выступает технический газ, или же испарения химических элементов.
Принцип работы газового лазера заключается в том, что активная газообразная среда накачивается с применением возникающих в ней электрических разрядов. В итоге в процессе такого явления электроны сталкиваются с атомами технического газа или пара химического вещества, что приводит их в возбуждение и становится причиной излучения фотонов. Создаваемое электромагнитное излучение усиливается, проходя сквозь плазму газа.

Среди основных достоинств таких лазерных установок следует выделить:

Высокую мощность и эффективность газовых лазеров (эта особенность позволяет использовать их в тяжелой промышленности и при выполнении сложных задач, например, в сфере лазерной резки металлов);
Невысокую стоимость оборудования и низкие затраты на его обслуживание;
Простоту и легкость в применении.

1.4.2 ЛАЗЕРЫ НА КРАСИТЕЛЯХ

Лазер на красителях представляет собой лазерную установку, использующую органический краситель в качестве излучающей свет среды. По сравнению с газами, краска может обычно использоваться для намного более широкого диапазона длин волны. Широкая полоса пропускания делает лазеры этого типа особенно подходящими для настраиваемых лазеров.

Кроме того, краситель может быть заменен другим типом красителя, чтобы произвести волны различной длины одной и той же лазерной установкой.

Лазеры на красителях используются в различных сферах, наиболее часто в научных исследованиях. Например, первый лазер на красителях был использован в телескопе Галилео в качестве расширителя луча. Как следствие таких обширных возможностей, лазеры на красителях используются в различных сферах, от астрономии, медицины и спектроскопии до индустриального производства и расщепления атомов.

1.4.3 ЛАЗЕРЫ НА ПАРАХ МЕТАЛЛОВ

Это газовые лазеры, активная среда которых является парами металла. Разрядная трубка с металлом помещается в трубчатую печь. Для поддержания разряда в нагреваемых частях трубки используется газ, например, гелий. В некоторых конструкциях газ используется в процессе создания заселенности уровней, например, в гелий-кадмиевом лазере.

Они применяются для прецизионной микрообработки, разделения изотопов, в научной и практической медицине, спектроскопических исследованиях, усилении яркости изображения, скоростной фотографии, зондировании атмосферы и многом другом.

1.4.4 ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ЛАЗЕРЫ

Твердотельный лазер — это лазер, в котором активной средой являются активированные диэлектрические кристаллы и стёкла. В качестве активаторов кристаллов и стёкол обычно служат ионы. Широко используются лазеры на кристалле рубина в котором около 0,05% атомов алюминия замещены ионами хрома. Генерация твердотельных лазеров осуществляется по трёх- или четырёхуровневой схеме.

Активный элемент этих лазеров обычно имеют форму кругового цилиндра или стержня прямоугольного сечения.

Твердотельные лазеры занимают уникальное место в развитии лазеров. Это простые в обслуживании устройства, способные генерировать энергию высокой мощности.

Для накачки твердотельных лазером могут использоваться светодиоды, лампы, другие лазеры. Они применяются в: сварке и резке, технологии электронных приборов, медицине, лазерной локации, системах контроля состава атмосферы, оптической обработке информации, интегральной и волоконной оптике, лазерная спектроскопии, лазерная диагностике плазмы и управляемом термоядерном синтезе, лазерной химии и лазерном разделении изотопов, нелинейной оптике, сверхскоростной фотографии, лазерных гироскопах, сейсмографах и других точных физических приборах.

1.4.5 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ЛАЗЕРЫ

Это один из типов лазера, в котором рабочим веществом служит полупроводниковая среда.

Они подразделяются на 3 вида:

Инжекционный лазер;
Гетеролазер;
Лазер на квантовых точках.

1.4.6 ЛАЗЕРЫ НА СВОБОДНЫХ ЭЛЕКТРОНАХ

Лазер на свободных электронах — вид лазера, излучение в котором генерируется моноэнергетическим пучком электронов.

В отличие от газовых, жидкостных или твердотельных лазеров, электроны в них возбуждаются в связанных атомных или молекулярных состояниях.

Применяются они в основном в Рентгеновской микроскопии.

1.5 ПЛЮСЫ И МИНУСЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЛАЗЕРА

Основными плюсами использования лазерных технологий в промышленности являются высокая точность и скорость резки, возможность создания изделий любых форм и размеров из множества видов материала, а также отсутствие большого количества отходов, таких как стружка.

Минусами лазерных технологий является высокая энергозатратность, и сложность починки дорогостоящего оборудования.

Рисунок 2 - Работа лазерного станка с числовым программным управлением

1.6 ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРНЫХ УСТРОЙСТВ

В наше время лазерные устройства применяются практически во всех отраслях:

В промышленности;
В науке;
В медицине;
В военных целях и др.

1.6.1 В ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Лазерные технологии обработки материалов применяются для технологических операций - сварки, резки, маркировки и гравировки, термообработки, сверления отверстий. Сейчас расширяется применение лазеров в ювелирной отрасли.

Наиболее широкое распространение получили станки для обработки с твердотельными лазерами, излучение которых достаточно хорошо поглощается основными материалами ювелирной промышленности - драгоценными металлами и камнями.

1.6.2 В НАУКЕ

В астрономии лазеры используются для измерения расстояний (Спектроскопии).

В физике в частности используется лазерное намагничивание, для управления магнитным состоянием среды; Лазерное охлаждение, а также в работе с термоядерным синтезом, для удержания нагретой плазмы в реакторе.

1.6.3 В МЕДИЦИНЕ

Зачастую он связан с поверхностью человеческого тела, доступной для излучения. Например, в хирургии глаза и коррекции зрения, стоматологии, дерматологии, в различных видах косметических процедур.

Лазеры используются также для внутреннего хирургического вмешательства. Медицинские лазеры не всегда используется только для терапии. Некоторые из них могут помочь в диагностике, например, с помощью методов глазных изображений, лазерной микроскопии и спектроскопии.

1.6.4 В ВОЕННЫХ ЦЕЛЯХ

С середины 50-х годов XX века в СССР осуществлялись широкомасштабные работы по разработке и испытанию лазерного оружия высокой мощности, как средства непосредственного поражения целей в интересах стратегической противокосмической и противоракетной обороны. Испытания лазеров осуществлялись на полигоне Сары-Шаган в Казахстане. После распада Советского Союза работы на полигоне Сары-Шаган были остановлены.

В середине марта 2009 года американская корпорация объявила о создании твердотельного электрического лазера мощностью около 100 кВт. Разработка данного устройства была произведена в рамках программы по созданию эффективного мобильного лазерного комплекса, предназначенного для борьбы с наземными и воздушными целями.

Военные лазеры используют в:

Целеуказателях;
Лазерных прицелах;
Системах обнаружения снайперов и постановке помех;
Для введения в заблуждение противника;
Лазерном наведении снарядов;
Лазерном стрелковом оружии.

ГЛАВА 2. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

2.1 ПРИМЕНЕНИЯ ЛАЗЕРНЫХ УСТРОЙСТВ В ЖИЗНИ

Далее я опишу конкретное применение лазера в сфере создания изделия.

Начинается всё с выбора программного обеспечения, я возьму «Компас 3D».

Здесь можно создать программу работы практически для любого станка с числовым программным управлением. В данной ситуации мы будем использовать лазерный ЧПУ станок. Начнём с создания файла.

Создаём файл «Фрагмент». Здесь, из простых фигур и кривых линий мы сможем создать любой файл для лазерной резки. Планируем изделие для создания и начинаем работу

Для начала выбираем вкладку «Прямоугольник», и создаём фигуру.

После чего при помощи прямых линий создаём шпонку. Выпирать она будет на 3 мм, т.к. это толщина материала.

Далее выбираем вкладку «Копия с указанием», где используем «По окружности». Выбираем количество копий, то есть 4, и устанавливаем центр в середине квадрата (Для чего используем вспомогательные прямые).

Далее копируем созданную деталь и делаем стенку на базе её копии.

При помощи прямых линий и «Усечения кривых», меняем шпонку на такой же паз и отрезаем верхнюю половину фигуры.

После, копируем последнюю деталь два раза, и из копии создаём обратную по боковым пазам деталь, но, чуть выше, для удержания крышки в бортах и копируем её. Стенки готовы.

Теперь приступим к созданию крышки. Создаём прямоугольник равный по длине нашему днищу, но уже на 2 борта длиннее, а, то есть в моём случае –

Далее при помощи сервиса конвертации форматов jpeg в dxf вставляем эмблему на крышку и усекаем окружность.

Далее сохраняем файл в формате dxf и переносим его в программу для лазерной резки.

Отмечаем области изделия разными цветами и задаём им параметры (Скорость и мощность работы, резка или гравировка, включен или выключен). В данном случае выделяем буквы и эмблему красным, и устанавливаем режим быстрореза (скорость - 170, мощность – 14), а всё остальное оставляем синим, а, то есть стандартной резкой (скорость – 27, мощность – 60).

На этом работа с файлом нашего изделия закончена. Запускаем лазерный станок, устанавливаем материал (в моём случае – оголит 3мм) и кликаем кнопку «Старт».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной работе рассмотрены такие понятия как: Что такое лазер, внутреннее устройство лазера, создание луча, типы и подтипы лазеров, плюсы и минусы использования лазера и другие.

Показан процесс создания квадратной шкатулки с гравировкой на лазерном станке.

Файл шкатулки создавался в формате dxf, и для его создания использовалась программа - «3d Компас», а для настройки и управления лазерной резки - «RDworks».

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

https://bigenc.ru/physics/text/4341828
https://hitecher.com/ru/articles/chto-takoe-lazer
https://dic.academic.ru
https://ru.wikipedia.org/wiki/Лазер
http://xn--80affkvlgiu5a.xn--p1ai/gazovye-lazery-princip-raboty/
http://www.olazere.ru/vidi-lazerov-i-ih-primenenie/lazer-na-krasitelyah
https://studme.org/270086/tehnika/lazery_parah_metalla
http://www.laser-portal.ru
https://bigenc.ru/physics/text/3177077 https://palitrabazar.ru/raznoe/lazernaya-rezka-osobennosti-plyusy-i-minusy.html https://proflasermet.ru/article/technical-features-of-laser-and-applications-of-laser-technology-in-various-fields/
https://rostec.ru/news/istoriya-otkrytiya-ot-mazera-k-lazeru/
https://www.newlaser.ru
https://xn--80akfo2a.xn--p1ai/2016/11/02/1066/

Белый лист

Как нарисовать лимон акварелью

Ветер и Солнце

Старинная английская баллада “Greensleeves” («Зеленые рукава»)

Нас с братом в деревню отправили к деду...